Устройство зарядное

спецификация_.docx

К10-47М 0033мкФ 400В
К10-47М 0068мкФ 400В
Катушка индуктивности RLB1408
Микроамперметр 0-200мкА
Резисторы С2-33 ОЖО467.093ТУ
Выключатель В3009 250V
Трансформатор ТПК-2-15

Устройство зарядное.doc

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники
Кафедра радиоэлектронных средств
«Основы конструирования радиоэлектронной аппаратуры»
«Устройство зарядное»
студентка группы 971504
Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции электронного модуля .. 4
Описание проектируемого устройства . 6
Выбор и обоснование элементной базы и материалов конструкций 9
Выбор типа конструкции печатной платы класса точности и шага координатной сетки ..18
Выбор и обоснование метода изготовления электронного модуля .21
Расчет конструктивно-технологических параметров электронного модуля 24
Оценка теплового режима 29
Расчет собственно частоты электронного модуля .33
Применение САПР при проектировании электронного модуля ..34
Список использованных источников . ..47
Целью данного курсового проекта является разработка печатного узла зарядного устройства для малогабаритных аккумуляторов и питания цифровой камеры от сети переменного тока.
Современные цифровые камеры потребляют значительный ток. Эффективнее использование взамен гальванической батарее малогабаритных аккумуляторов. Данное зарядное устройство позволяет решить проблему зарядки таких аккумуляторов и позволить питать камеру от сети переменного тока в благоустроенном помещении. Прибор малогабаритный легкий что делает его довольно универсальным.
Разработка электронной аппаратуры сложный и многоэтапный процесс одним из важнейших этапов которого является проектирование. На данном этапе жизненного цикла электронной аппаратуры одно из основных мест занимает разработка научно обоснованных математических моделей проектируемого изделия с учетом особенностей его структуры построения функционирования технологии производства и условий эксплуатации.
Главными задачами решаемыми в курсовом проекте являются:
анализ схемы электрической принципиальной и её доработка;
обоснование элементной базы и материалов проектируемого изделия;
выбор базовой несущей конструкции;
анализ теплового режима работы устройства;
оценка виброзащищенности и устойчивости конструкции при воздействии дестабилизирующих факторов;
расчёт проектной надёжности устройства;
разработка комплекта конструкторской документации.
Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции электронного модуля
Основой разрабатываемой конструкции являются техническое задание схема электрическая принципиальная и перечень элементов из журнала «Радио» за 2006 год №11 страница 48-49.
Требования к климатическим условиям по ГОСТ 15150-69 УХЛ 4.2. Прибор для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом в помещениях с искусственным регулирование условий эксплуатации (лабораторных капитальных жилых и других помещениях подобного типа).
Общие технические требования к проектированию электронного модуля по ГОСТ 16019-2001 группа С1. Предназначение аппаратуры и условия эксплуатации : стационарная устанавливаемая в отапливаемых наземных и подземных сооружениях.
Коэффициент заполнения по объему не менее 05.Годовой объем выпуска – 1000 штук. Другие требования уточняются в процессе проектирования.
Изделия должны сохранять свои параметры в пределах норм установленных техническими заданиями стандартами или техническими условиями в течение сроков службы и сроков сохраняемости указанных в техническом задании после или в процессе воздействия климатических факторов значения которых установлены ГОСТ 15150-69.
Согласно ГОСТ 15150-69 для типа исполнения УХЛ 4.2 устройство предназначается:
)для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственным регулируемыми климатическими условиями например в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других в том числе хорошо вентилируемых подземных помещениях (отсутствие воздействия прямого солнечного излучения атмосферных осадков ветра песка и пыли наружного воздуха; отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги);
)для эксплуатации в лабораторных капитальных жилых и других подобного типа помещениях;
Нормальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации изделий принимают равными следующим значениям:
- верхнее рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +35°С;
- нижнее рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +10°С;
- рабочее значение атмосферного давления 1013 кПа.
За нормальные значения факторов внешней среды при испытаниях изделия (нормальные климатические условия испытаний) принимаются следующие:
- температура +25±10°С;
- относительная влажность воздуха 45 80%;
- атмосферное давление 1013 Па.
Условия хранения изделий определяются местом их размещения макроклиматическим районом и типом атмосферы и характеризуется совокупностью климатических факторов воздействующих при хранении на упакованные или законсервированные изделия. Согласно ГОСТ 15150-69 для проектируемого изделия удовлетворительными являются условия хранения в отапливаемых и вентилируемых складах хранилищах с кондиционированием воздуха расположенных в любых макроклиматических районах.
Транспортировка осуществляется в закрытых транспортных средствах где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе.
Описание проектируемого устройства
Рис.1. Устройство зарядное электрическая схема
Устройство зарядное (пример электрической схемы представлен на рис.1) – малогабаритное и легкое устройство для зарядки малогабаритных аккумуляторов и питания цифровой камеры от сети переменного тока при необходимости.
Схема прибора – рис. 1. Его основной узел – преобразователь выпрямленного диодным мостом VD1 и сглаженного конденсатором С2 сетевого напряжения в импульсное частотой около 40кГц. Он собран по полумостовой схеме на трансформаторах VT1 VT2. Микросхема IR2153 предназначенная для электронных балластов люминесцентных ламп с успехом выполняет функции задающего генератора преобразователя. Схема ее включения близка к типовой. Частоту преобразования определяют номиналы элементов R3 и С4.
К обмотке II трансформатора Т1 имеющего отвод от середины подключен двухполупериодный выпрямитель на диодах Шотки VD6 и VD7. Использование таких диодов уменьшает потери энергии и входное сопротивление выпрямителя. Кабель питания фотокамеры подключают к разъему Х2.
Светодиод HL1 сигнализирует что прибор включен. Суммарный ток текущий через резистор R5 создает начальную нагрузку на выпрямитель. В ее отсутствие выбросы на фронтах импульсов поступающих на выпрямитель с обмотки трансформатора довели бы напряжение на конденсаторах С5 и С7 до 10 12 В. Это небезопасно и для конденсаторов и для фотокамеры в момент ее подключения к работающему без нагрузки выпрямителю.
Аккумуляторы G1 и G2 подключают для зарядки к разъему Х1. Выпрямленный диодным мостом VD2 - VD5 зарядный ток ограничен реактивным сопротивлением дросселя L1 включенного последовательно с обмоткой III трансформатора Т1. Это экономит электроэнергию и что важнее облегчает тепловой режим малогабаритного прибора. Попытка применить вместо дросселя конденсатор «не понравилась» преобразователю напряжения.
Коммутирую обмотки дросселя переключателем SA1 можно установить зарядный ток равным 90 или 270 мА. Если требует заряжать только один аккумулятор второй заменяют перемычкой. Для этого можно изготовить габаритный макет аккумулятора с замкнутыми электродами.
Напряжение на аккумуляторе G2 измеряет вольтметр из малогабаритного микроамперметра PA1 с добавочным резистором R7. Если возникает необходимость измерить напряжение второго аккумулятора (G1) их просто меняют местами. Такое решение позволяет избавиться от лишнего переключателя.
Прибор собран в круглой пластмассовой коробке диаметром 120 мм и высотой 30 мм с отвинчивающейся крышкой. В дне коробки просверлены 20 отверстий диаметром 4 мм для прохода охлаждающего прибор воздуха. Для создания зазора между дном прибора и поверхностью на которой он установлен коробка снабжена тремя резиновыми ножками.
Весь монтаж прибора навесной. Детали приклеены или закреплены винтами на шасси из листового пластика толщиной 2 мм склеенном из двух частей – круглого основания и обечайки высотой 20мм. Шасси помещено в крышку коробки его удерживают в ней крепежные гайки тумблеров МТ-1 (выключателя SA1 и переключателя SA2). В зоне вывода шнура питания в крышке просверлены шесть вентиляционных отверстий диаметром 5 мм а часть обечайки шасси удалена.
На лицевой панели прибора кроме тумблеров светодиод и стандартная каста для двух аккумуляторов типоразмера АА (разъем Х2). В эту же кассету можно устанавливать аккумуляторы типоразмера ААА но для надежности лучше сделать для них технологические футляры в габаритах АА.
Гнездо для штекера диаметром 35 мм (разъем Х2) спрятано под аккумулятором G2. Это сделано преднамеренно чтобы исключить возможность одновременно питать фотокамеру и заряжать аккумуляторы от недостаточно мощного преобразователя.
Транзисторы преобразователя установлены на алюминиевые пластины размера 40*25*1 мм с использование пасты КПТ-8. Микроамперметр РА1-М4283. На его шкалу нанесены деления соответствующие значениям измеряемого напряжения 11:125 и 15 В.
Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе К20*12*6 из феррита 2000НМ. Острые грани кольца притуплены после чего оно обмотано фторопластовой лентой. Обмотка I – 240 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0 16 мм обмотка II – 5+5 витков провода МГТФ 007 обмотка III – 18 витков такого же провода.
Дроссель L1 – 50+50 витков провода ПЭВ-2 диаметром 041 мм намотанных «внавал» на отрезке ферритового стержня 600НН или 400НН (магнитопровода магнитной антенны) длиной 30 и диаметром 8 мм.
Все резисторы – МЛТ указанной на схеме мощности. Резистор R1 ограничивает максимальный ток зарядки конденсатора С2 и одновременно выполняет функцию предохранителя. Конденсаторы С1 и С6 – пленочные К73-17 на напряжение не менее указанного на схеме.
При подборе замен следует помнить что все выпрямительные диоды должны иметь рабочую частоту не менее 40 кГц а диод VD8 – время восстановления не более 70 нс и допустимое обратное напряжение не менее 400 В. Транзисторы должны быть с максимальным током стока не менее 05 А и предельным напряжением сток – исток не менее 400 В.
Собранный прибор не требует как правило налаживания. Необходимо лишь проверить напряжение на разъеме Х2 (32 №5 В без нагрузки) и зарядный ток аккумуляторов который не должен отличаться от указанных на схеме значений более чем на 10%.
Значения тока выбраны численно равными десятой доле емкости имеющихся аккумуляторов (емкостью до 25 А*ч) что оптимально для их зарядки в течении 15 16 часов. Для аккумуляторов другой емкости время зарядки нужно соответствующим образом изменить. В частности удастся заряжать аккумуляторы емкостью 1000 мА*ч.
Разрабатываемый прибор предназначен для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями например в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков прямого солнечного излучения ветра песка пыли наружного воздуха отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги) а конкретнее - в лабораторных капитальных жилых и других подобного типа помещениях.
Прибор требуют защиты от влаги для предотвращения от корродирования которое влечет за собой сокращение срока службы уменьшение надежности изменение электрических и механических параметров вплоть до отказа. Одним из средств защиты приборов и конструктивных элементов от влаги является герметизация которая может быть осуществлена только при использовании металлов для герметичных корпусов и неорганических материалов в качестве герметиков.
Механические нагрузки которые испытывают приборы и окружающая среда обусловлены в частности динамическими воздействиями на них в виде колебаний и ударов. Защита от этих нагрузок возможна с помощью демпфирования изоляции и гашения колебаний с помощью дополнительных масс. Целями мероприятий по защите от воздействия механических нагрузок являются: обеспечение выполнения прибором испытывающим механические нагрузки заданной ему функции; повышение точности надежности и срока службы приборов защита обслуживающего персонала от шума и вибраций.
Выбор и обоснование элементной базы и материалов конструкций
Элементная база примененная при разработке данного устройства не содержит каких-либо специализированных элементов поскольку к работе данного устройства не предъявляются особые требования в том числе и температурные. Устройство выполнено на широкодоступных компонентах которые производятся отечественными и иностранными предприятиями радиоэлектронной промышленности. Все использованные при разработке данного устройства элементы могут быть заменены любыми другими подходящие по параметрам без ухудшения работы изделия. При этом возможна корректировка номиналов некоторых элементов.
С использованием справочной литературы была выбрана элементная база. Элементы выбирались исходя из указанных на схеме номиналов а также условий эксплуатации. Для всех элементов из справочной литературы были взяты следующие характеристики:
– геометрические размеры корпусов;
– вероятность отказа;
– параметры режимов работы.
Элементы используемые в данном устройстве:
конденсаторы К10-47М К50-35
катушка индуктивности RLB1408-103KL
микроамперметр 0-200мкА
выключатель В3009 250V
трансформатор ТПК-2-15
диод КЦ407А КД212А 1N5819 HER208
разъем MPW2-250V DS1021-2S61
Таблица 1. Характеристики выбранных элементов
Условное обозначение элемента
Типономинал выбранного реального элемента
Технические характеристики реального элемента
Изображения реального элемента и посадочной площадки с указанием габаритных размеров
Максимальное постоянное обратное напряжение 400В
Максимальное импульсное обратное напряжение 400 В
Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток 05 А
Максимальный допустимый прямой импульсный ток 2 А
Максимальный обратный ток 5 мкА
Рабочая частота 20 кГц
Максимальное прямое напряжение 25 В
Максимальное время обратного восстановления 5000 мкс
Рабочая температура -60 85 С
Способ монтажа – в отверстие
Максимальное постоянное обратное напряжение 200В
Максимальное импульсное обратное напряжение 200 В
Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток 1 А
Максимальный допустимый прямой импульсный ток 50 А
Максимальный обратный ток 50 мкА
Рабочая частота 100 кГц
Максимальное прямое напряжение 1 В
Максимальное время обратного восстановления 300 мкс
Рабочая температура -60 125 С
Максимальное постоянное обратное напряжение 40В
Максимальное импульсное обратное напряжение 48 В
Максимальный допустимый прямой импульсный ток 25 А
Максимальный обратный ток 1мкА
Максимальное прямое напряжение 060 В
Масса не более 033 г
Максимальное постоянное обратное напряжение 1000В
Максимальное импульсное обратное напряжение 1200 В
Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток 2 А
Максимальный допустимый прямой импульсный ток 60 А
Максимальное прямое напряжение 17 В
Максимальное время обратного восстановления 0075 мкс
Рабочая температура -60 150 С
Масса не более 0519 г
Рабочая температура: -60 ..+125С Напряжение : 400В
Рабочая температура: -40 105С
Рабочая температура: -40 105С Напряжение : 25В
Рабочая температура: -60 ..+125С
Рабочая температура: -60 ..+125С Напряжение : 250В
Рабочая температура: -40 105С
Рабочая температура:
Диапазон сопротивлений:
Выключатель В3009 250V
Сопротивление изолятора не менее 100 МОм
Сопротивление контактов не более 01 Ом
Рабочее напряжение 125В
Рабочая температура -50 55 С
Трансформатор ТПК-2-15
Максимальная выходная мощность 25 В
Ток холостого хода не боле 0020 А
Масса трансформатора не более 011 кг
Габаритные размеры а*в*с 27х32х30 мм
Сопротивление контактов не более 02 Ом
Предельный ток через контакт 3А
Рабочее напряжение 250В
Предельное напряжение не менее 1500В
Рабочая температура -30 90°С
Минимальная сила света Iv мин. 09 мКд
Максимальная сила света Iv макс. 09 мКд
Максимальное прямое напряжение 2В
Максимальное обратное напряжение 2В
Максимальный импульсный прямой ток 100мА
Рабочая температура -60 70 С
Катушка индуктивности RLB1314-103KL
Номинальная индуктивность 10000мкГ
Допуск номинальной индуктивности 10%
Максимальный постоянный ток 100 мА
Активное сопротивление 12 Ом
Рабочая температура -20 80 С
Диаметр (ширина)корпуса 13мм
Масса не более 4.143 г
Микроамперметр 0-200мкА
Габаритные размеры 60х60х50 мм
Рабочая температура -50 60С;
Диапазоны измерения 0-200 мкА
Внутреннее сопротивление не более 900 Ом
Выбор материалов для конструкций и деталей РЭС является сложной задачей из-за многовариантности т.к. изделие можно создать либо из различных материалов либо из их сложных совокупностей.
Правильный выбор материала может быть сделан на основе анализа функционального назначения детали условий ее эксплуатации и технологических показателей с учётом следующих факторов.
Материал является основой конструкции т.е. определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять воздействию дестабилизирующих климатических и механических факторов.
Материал определяет технологические характеристики детали т.к. обрабатывается определенными технологическими методами. Например объёмные детали из текстолита можно обрабатывать только резанием. Те же детали из пластмасс изготавливают прессованием что даёт большую производительность при серийном и массовом производстве.
При прочих равных условиях выбирать следует тот материал который допускает обработку наиболее прогрессивными методами: штамповкой литьем прессовкой обработкой на станках-автоматах и т.д. Особенно это относится к деталям сложной формы т.к. обработка их резанием увеличивает трудоёмкость и материальные затраты.
От свойств материала зависит точность изготовления детали. Точность штамповочных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала т.к. после изъятия детали из штампов она стремится в какой-то степени принять свою первоначальную форму. Отсюда следует что деталь из мягкой стали при прочих равных условиях будет изготовлена с большей точностью чем деталь из пружинящей стали.
Материал влияет на габариты и массу прибора. Так использование алюминиевых сплавов взамен стали может дать уменьшение массы в 15 3 раза при полном удовлетворении требований к прочности и жёсткости.
Выбор материалов для производства печатной платы нашего устройства необходимо производить исходя из условий его эксплуатации и условий проведения испытаний на прочность.
Материал печатной платы должен обладать механической прочностью на изгиб и растяжение. Кроме этого материал печатной платы должен иметь диапазон рабочих температур не меньший чем у всего устройства.
Основными материалами применяемыми для изготовления печатных плат являются слоистые пластики состоящие из связки и наполнителя. Основные параметры этих материалов приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные параметры слоистых пластиков
Относительная диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла потерь (диэлектрических)
Объемное удельное сопротивление
Диапазон рабочих температур оС
Коэффициент теплопроводности
Удельная прочность при растяжении
Удельная прочность при сжатии
В курсовом проекте в качестве материала для печатной платы предлагается использовать двухсторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 15 мм марки СФ-2-35-15 ГОСТ 10316-78.
Маркировка наносимая на печатную плату подразделяется на основную и дополнительную. Основная маркировка наносится обязательно и должна содержать:
- обозначение печатной платы или её условный шифр;
- порядковый номер изменения чертежа относящийся только к изменению проводящего рисунка;
- буквенно-цифровые обозначения в слоях МПП.
Дополнительная маркировка наносится при необходимости и может содержать:
- порядковый или заводской номер ПП или партии ПП;
- позиционное обозначение навесных элементов;
- цифровое обозначение первого вывода навесного элемента точек контроля;
- обозначение положительного вывода полярного элемента (знак «+»).
Основная маркировка выполняется способом которым выполняется проводящий рисунок. Дополнительная маркировка выполняется краской.
При выборе припоя следует учитывать что припой должен быть легкоплавким недорогим и технологичным. Кроме этого припой должен обладать хорошей адгезией к меди а также иметь малое переходное сопротивление. Выберем наиболее распространенный оловянно-свинцовый припой марки ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Характеристики этого припоя приведены в таблице3.
Таблица 3. Характеристика припоя марки ПОС-61
Температура полного расплавления ºС
Электросопротивление мкОмм
Прочность паяемых соединений МПа
Изготовление технологического рисунка на печатной плате рекомендуется делать комбинированным позитивным методом с покрытием проводников сплавом Розе по ТУ 6-09-4065-75. Этот сплав осуществляет защиту от коррозии и обеспечивает паяемость.
Выбор типа конструкции печатной платы класса точности и шага координатной сетки.
Печатные платы (ПП) – основа печатного монтажа любой РЭА при котором ИМС полупроводниковые приборы ЭРЭ и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников) которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.
Стандартом предусмотрены следующие типы ПП:
) односторонняя печатная плата (ОПП) – ПП на одной стороне которой выполнен проводящий рисунок (рис. 2 а);
) двусторонняя печатная плата (ДПП) – ПП на обеих сторонах которой выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения (рис. 2 б);
) многослойная печатная плата (МПП) – ПП состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящимирисунками на двух или более слоях между которыми выполнены требуемыесоединения;
) гибкая печатная плата (ГПП) – ПП имеющая гибкое основание;
) гибкий печатный кабель (ГПК) – система параллельных печатных проводников размещенных на гибком основании.
Рисунок 2 - Основные типы печатных плат:
а – односторонняя ПП; б – двусторонняя ПП
По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников контактных площадок и пр.) ПП делят на пять классов (табл. 4).
-й и 2-й классы ПП применяют в случае малой насыщенности поверхности ПП дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции.
-й класс ПП используется для микросхем со штыревыми и планарными выводами при средней и высокой насыщенности поверхности ПП элементами.
-й класс ПП - при высокой насыщенности поверхности ПП микросхемами с выводами и без них.
-й класс ПП - при очень высокой насыщенности поверхности ПП элементами с выводами и без них.
Таблица 4. Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов печатного монтажа для узкого места в зависимости от класса точности
Условные обозначения элементов печатного монтажа
Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки свойств токопроводящего материала температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными проводники - без вздутий отслоений разрывов пор крупнозерни-стости и трещин т. к. эти дефекты влияют на сопротивление и др.
Расстояние между элементами проводящего рисунка (например между проводниками) зависит от допустимого рабочего напряжения свойств диэлектрика условий эксплуатации и связана с помехоустойчивостью искажением сигналов и короткими замыканиями.
Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка (рис. 3).
Рисунок 3 - Координатная сетка чертежа печатной платы
В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 05 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции можно применять шаг равный 005 мм. При использовании ИМС и элементов с шагом выводов 0625 мм допускается применение шага координатной сетки 0625 мм. В случае необходимости применения координатной сетки с шагом отличным от основных предпочтительным является шаг кратный основным шагам координатной сетки. При использовании микросхем зарубежного производства с расстояниями между выводами по дюймовой системе допускается использование шага координатной сетки кратного 254 мм.
В рамках курсового проекта целесообразно использовать двустороннюю печатную плату. Т.к. данный тип конструкции позволит уменьшить габариты разрабатываемого устройства при незначительных затратах. Шаг координатной четки примем равным 0625 мм по сколько в конструкции присутствуют только ЭРЭ со штыревыми выводами. Насыщенность поверхности платы элементами в нашем случае средняя следовательно точность выполнения конструкции должна соответствовать третьему классу точности.
Выбор и обоснование метода изготовления электронного модуля
Технологический процесс изготовления печатных плат основывается на получении рисунка проводящего слоя или защитного рельефа и формировании проводящего слоя. Методы формирования проводящего слоя односторонних и двусторонних печатных плат делятся на две большие группы: субтрактивные и аддитивные.
В основе субтрактивных методов образование проводящего рисунка путем удаления фольги с незащищенных участков поверхности фольгированного диэлектрика. Для этого на фольгированный диэлектрик наносится изображение проводящего рисунка схемы а незащищенные участки фольги стравливаются. Существуют две разновидности субтрактивного метода: химический и комбинированный.
Изготовление печатных плат способом химического травления фольгированного диэлектрика получило наибольшее распространение на предприятиях радиоэлектронной промышленности. Сущность метода состоит в выборочном удалении металла с предварительно металлизированной поверхности.
Подготовку поверхности платы перед нанесением изображения производят различно в зависимости от способа его нанесения. Заготовка с защитным рисунком поступает на химическое травление незащищенных участков фольги. Травление обычно производят в растворе хлорного железа. После травления заготовку промывают в проточной воде чтобы удалить остатки раствора хлорного железа. Химическое травление получило наибольшее распространение т.к. оно обеспечивает высокую разрешающую способность и имеет следующие достоинства:
-высокая электропроводность проводников;
-высокая прочность сцепления проводников с основанием;
-равномерная толщина проводников;
-полную идентичность печатного монтажа;
-простота и высокая скорость технологического процесса.
К недостаткам этого метода можно отнести:
-ухудшение диэлектрических свойств материала плат из-за влияния химических веществ при обработке;
-необходимость в металлизации отверстий для обеспечения контактов между проводниками лежащими по обе стороны платы;
-низкая прочность в местах установки выводов;
-большой расход меди.
Комбинированный способ основан на использовании двух способов: гальванического и химического травления. Соответственно существуют негативный и позитивный комбинированные методы. И тот и другой метод широко применяется в производстве печатных плат. Позитивный метод рекомендуется для изготовления насыщенных модульных плат. Негативный - для изготовления неответственных плат специального назначения.
При негативном методе экспонирование рисунка производится с фотонегатива затем происходит травление рисунка сверление монтажных отверстий и их металлизация электрохимическим методом.
При позитивном методе создается негативный рисунок проводящего слоя схемы. Затем производят сверление монтажных отверстий металлизируют их после чего нанесенный рисунок и слой металлизации в отверстиях защищают слоем гальванического серебра или другого металла стойкого к травителю для меди. После этого травят незащищенные участки.
Позитивный метод получил наибольшее применение так как имеет следующие преимущества перед негативным:
-исключается возможность срыва контактных площадок при сверлении отверстий;
-не требуется контактирующих приспособлений для металлизации отверстий;
-сокращается подтравливание проводников;
-снижается вредное воздействие химических реагентов на изоляционное основание и на прочность сцепления фольги с основанием.
Недостатком комбинированных методов является существенное ухудшение изоляционных и диэлектрических свойств материала основания в результате двукратного воздействия химических веществ: в процессе травления и в процессе гальвано-химической металлизации отверстий.
Аддитивный метод получения проводящего рисунка печатной платы основан на избирательном осаждении химической меди на нефольгированный диэлектрик. При этом используется диэлектрик с введенным в его состав катализатором и адгезионным слоем на поверхности. Платы изготовленные аддитивным методом имеют высокую разрешающую способность (возможно получение проводников шириной до 01 мм) затраты на производство таких плат по сравнению с субтрактивными методами обеспечивается экономия меди химикатов и улучшение экологической обстановки на предприятиях. Аддитивный метод имеет две разновидности: химический и полуаддитивный (он же химико-гальванический).
При химико-гальваническом методе изготовления печатных плат на диэлектрическом основании сплошной токопроводящий слой получают химическим осаждением а затем усиливают его до необходимой толщины в местах расположения печатных проводников и контактных площадок электрохимическим методом. В этом случае достигается лучшая адгезия проводящего рисунка печатной платы к диэлектрику. Толщина меди получается одинаковой на всех участках плат и в металлизированных отверстиях. Это способ имеет ряд достоинств:
-простота применяемого технологического оборудования несложность замены воспроизводимых проводящих рисунков;
-возможность изготовления сложных двухсторонних печатных плат с одновременной металлизацией отверстий в плате обеспечивающих электрический переход с одной стороны на другую;
-большая экономия металла который расходуется только на печатные проводники;
-не требует много времени на налаживание производства;
-возможность механизировать все операции при изготовлении.
К недостаткам этого метода следует отнести:
-воздействие химических реагентов и электролита на изоляционное основание в процессе изготовления печатных плат что приводит к ухудшению электроизоляционных и электрических свойств материала - основания платы;
-малая разрешающая способность;
-неравномерная толщина печатных проводников.
Нанесение рисунка схемы или защитного рельефа требуемой конфигурации необходимо при осуществлении процессов металлизации и травления. Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляют методами сеткографии офсетной печати и фотопечати.
Учитывая вышеизложенное оптимальным вариантом будет выбор комбинированного позитивного метода для изготовления двусторонней платы разрабатываемого устройства.
Расчет конструктивно-технологических параметров электронного модуля
Определим площадь и размеры печатной платы необходимые для размещения элементов РЭУ согласно электрической схеме устройства.
Пользуясь электрической схемой и принимая во внимание условия эксплуатации и другие данные технического задания на проектирование выбираем типы и типоразмеры всех элементов РЭУ. При инженерном проектировании выбору подлежат лишь пассивные элементы. Активные элементы (ИМС полупроводниковые приборы и подобные им элементы) определяют выходные электрические характеристики РЭУ и указываются разработчиком электрических схем.
Физическая площадь i-го элемента Sфизi – это такая площадь которая равна площади проекции этого элемента на плоскость.
Установочная площадь Sустi – это площадь необходимая для установки и монтажа элемента в устройстве.
Находим установочные площади элементов Syстi (i = 1 n) путём расчёта учитывая при этом площадь проекции элемента на горизонтальную поверхность необходимые зазоры между соседними элементами и другие технологические ограничения.
Подсчитываем значение величины . Исходные данные и результаты расчета удобно представить в табличном виде(см. таблицу 5).
Таблица 5 – Расчет Sустi
Конденсатор К10-47М 0033 мкФ 400В
Конденсатор К50-35 47мкФ 350В
Конденсатор К50-35 33мкФ 30В
Конденсатор К10-47М 001мкФ 250В
Конденсатор К10-47М 10мкФ 250В
Конденсатор К10-47М 0068мкФ 400В
Катушка индуктивности RLB1408-103KL
Продолжение таблицы 5.
Выбираем значение коэффициента заполнения печатной платы. Согласно приведённым рекомендациям коэффициент лежит в пределах 02 1.Рассчитаем приблизительную площадь печатной платы с учетом способа монтажа (односторонний двусторонний):
Sп= Sп= Sс (kз *m)= 2068(05*1) = 4136 мм2
где kз – коэффициент заполнения платы печатной (03-08) m – количество сторон монтажа (1 2).
Принимая во внимание внутриблочную компоновку выбираем геометрическую форму (квадрат прямоугольник или другая форма) и размеры сторон печатной платы обеспечивающие найденную площадь (~41 см2). Следует иметь ввиду что выбираемые размеры должны отвечать требованиям ГОСТ 10317 регламентирующего размеры печатных плат. Таким образом при форме в виде прямоугольника принимаем размеры 100 X 85 мм.
Толщина ПП определяется толщиной материала основания ПП и проводящего рисунка. Ее выбирают в зависимости от конструктивных технологических особенностей и механических воздействий: вибраций ударов при эксплуатации и транспортировке которые могут вызвать механические перегрузки и привести к деформации и разрушению ПП. Предпочтительными значениями номинальных толщин ОПП и ДПП являются 08;10;15;20 мм.
Допуски на толщину устанавливают по техническому условию (ТУ) на материал или по ГОСТ 23751 – 86.
Необходимо учесть и то что толщина должна соответствовать диаметрам металлизированных отверстий (для качественной металлизации отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине ПП должно быть не менее 04).
Учитывая механические нагрузки на ПП в процессе эксплуатации и транспортировке а также особенности использованной нами элементной базы (выбранные ЭРЭ не имеют относительно больших масс) из допустимых значений нам более всего подходит толщина ПП 15 мм.
При разработке ПП должны учитываться размеры элементов проводящего рисунка (длина ширина толщина проводников размеры контактных площадок и пр.) и их взаимное расположение.
) Рассчитаем наименьший номинальный диаметр D контактной площадки по формуле:
D=(d+dв.о)+2b+tв.о+2dтр+(Td2+TD2+tп.о2) (1)
где dв.о— верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;
b – гарантийный поясок;
tв.о — верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;
dтр — значение подтравливания диэлектрика в отверстии;
Td - значения позиционных допусков расположения осей отверстий;
TD – значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок;
tп.о— нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки.
В нашем случаем для ДПП 3 класса точности по ГОСТ 23751 – 86 приведенные данные равны: dв.о = 005 мм; tв.о = 010 мм; dтр = 0; tп.о =
= -010ммм; b = 010 мм.
Следовательно наименьший номинальный диаметр D контактной площадки равен :
D=(08+005)+2*010+010+(0032+0052+(-010)2) = 118 мм.
При проектировании РЭА и особенно устройств высокой точности нельзя не учитывать паразитные связи мешающие нормальной работоспособности РЭА а иногда приводящие к полной неработоспособности устройства. Паразитная связь между РЭА и их частями приводит к возникновению в них паразитных наводок. Паразитная наводка – это непредусмотренная электрической схемой и конструкцией передача напряжения тока от одного радиотехнического устройства к другому или от одной части РЭА к другой.
Емкость между печатными проводниками так же как и индуктивность служит источником помех оказывающих существенное влияние на работу РЭА.
Для оценки помех данного вида нет необходимости проверять емкости и взаимные индуктивности между каждыми печатными проводниками достаточно лишь выявить самые опасные места с точки зрения этих помех и проверить их. Если помехи создаваемые этими опасными местами незначительны то и остальные паразитные связи можно считать таковыми.
Для печатной платы расчет будет проводиться для двух параллельных проводников одинаковой ширины расположенных на одной стороне платы (рисунок 4) .
Рисунок 4 – Взаимное расположение проводников на печатной плате
Исходные данные для расчета емкостей и индуктивностей между печатными проводниками приведены в таблице 6.
Таблица 6 –Исходные данные для расчета электромагнитной совместимости
Длина участка на котором проводники параллельны друг другу (l) мм
Ширина проводников (b) мм
Расстояние между проводниками (а) мм
Толщина проводников (tn) мм
Емкость между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины расположенными на одной стороне платы определяется:
где k – поправочный коэффициент значение которого определяется по графикам и зависит от отношения и варианта взаимного расположения проводников (в нашем случае k=015);
e - действующая диэлектрическая проницаемость равная:
e = 05(1+er) = 05(1+55) = 275 (3)
где er – относительная диэлектрическая проницаемость основания для стеклотекстолита er=55.
Паразитная емкость между проводников платы согласно формуле (2):
Индуктивность двух параллельных печатных проводников расположенных с одной стороны печатной платы определяется по формуле:
Индуктивность двух параллельных печатных проводников платы согласно формуле (4):
Рассчитанные значения паразитных емкости и индуктивности можно считать безопасными и ими можно пренебречь так как они не могут выступить в качестве схемных элементов из-за очень низкого значения.
Оценка теплового режима
Расчет теплового режима РЭА заключается в определении на основании исходных данных температуры нагретой зоны температур поверхностей и теплонагруженных элементов и сравнении полученных значений с допустимыми для каждого радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации.
Расчет теплового режима блока обработки проведем для герметичного корпуса при следующих условиях эксплуатации:
температура окружающей среды: Тс = +25°С;
давление окружающей среды: Н1 = 101000 Па;
давление внутри блока: Н2 = 101000 Па;
мощность рассеиваемая в устройстве: Р = 36 Вт;
размеры блока: L1=012 м; L2=01 м; L3=004 м;
коэффициент заполнения блока: Кз = 05;
мощность рассеиваемая наиболее теплонагруженным элементом: Рэл = = 10 Вт.
площадь поверхности элемента омываемая воздухом= 00028м2.
Рисунок 5 – Эскиз корпуса
Расчет теплового режима проектируемого устройства в перфорированном корпусе :
) Рассчитывается поверхность корпуса блока по формуле:
= 2 [012 01 + (012+01) 004]= 00416м2 (5)
где – горизонтальные размеры корпуса м;
– вертикальный размер м.
) Определяем условную поверхность нагретой зоны:
= 2 [012 01 + (012+01) 004 05] = 00328м2 (6)
где Кз – коэффициент заполнения корпуса аппарата по объему.
) Определяется удельная мощность блока:
где Р – мощность рассеиваемая в блоке Вт.
) Определяется удельная мощность нагретой зоны:
) Находим коэффициент в зависимости от удельной мощности корпуса блока:
) Находим коэффициент в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:
) Находится коэффициент в зависимости от давления среды вне корпуса блока :
где – давление окружающей среды Па.
) Находится коэффициент в зависимости от давления внутри корпуса блока :
где – давление внутри корпуса аппарата Па.
) Суммарная площадь перфорированных отверстий:
) Коэффициент перфорации:
) Функция коэффициента перфорации:
) Перегрев корпуса:
) Перегрев нагретой зоны:
) Средний перегрев воздуха в корпусе:
) Определяется удельная мощность теплонагруженного элемента:
где – мощность рассеиваемая элементом температуру которого требуется определить Вт.
– площадь поверхности элемента омываемая воздухом м2.
) Рассчитывается перегрев поверхности элемента:
) Рассчитывается перегрев среды окружающей элемент:
) Определяется температура корпуса блока:
) Определяется температура нагретой зоны:
) Определяется температура воздуха в блоке:
) Находится температура поверхности элемента:
) Находится температура среды окружающей элемент:
В результате расчета получены следующие данные:
температура корпуса 7494°С;
температура нагретой зоны 7339°С;
температура воздуха в блоке 5403°С.
Температура поверхности наиболее теплонагруженного элемента =
Температуры средынаиболее теплонагруженного элемента = 7040°С.
Полученные значения температур не превышают предельно допустимые температуры работы элементов что говорит о безопасном и стабильном использовании устройства в данных условиях.
Расчет собственной частоты электронного модуля
Действующие на проектируемое устройство вибрационные и ударные нагрузки могут нарушать его нормальную работу и являться причиной отказов. Это может быть связано с недостаточной статической и вибрационной прочностью или низкой виброустойчивостью которые зависят от частотных характеристик деталей и элементов входящих в конструкцию.
Эксплуатация устройства предусматривается в стационарных условиях в жилых или лабораторных помещениях без воздействия сотрясений и вибраций. Поэтому в расчете механической прочности ограничимся расчетом собственной частоты печатных плат.
Значения собственных частот конструктивных элементов аппаратуры (элементов рамных конструкций пластин и т.д.) определяются по формулам известным из курса классической механики.
Значение первой собственной частоты печатной платы закрепленной по углам в четырех точках можно определить воспользовавшись выражением:
Где - цилиндрическая жесткость платы;
-распределенная по площади масса платы и элементов размещенных на плате;
Е – модуль упругости материала платы;
m – масса платы с элементами (МС ЭРЭ и т.д.);
γ – коэффициент Пуассона для материала платы
Для разрабатываемой платы :m = 0076кг Е= 3*109 кгм2 γ=03 a=01м b=0085м h=00015м. Тогда по формуле (21) определим собственную частоту печатной платы:
Данная частота намного выше значения воздействующего диапазона частот для данной аппаратуры что говорит о безопасности и надёжности использования данного устройства а так же безопасности его транспортировки.
Применение САПР при проектировании
В настоящее время для создания принципиальных электрических схем цифровых и аналого-цифровых устройств разработки многослойных печатных плат подготовки управляющих файлов для фотоплоттеров и сверлильных станков с числовым программным управлением используются системы автоматизированного проектирования РЭС. Некоторые из них также пригодны для проведения расчетов и анализа конструктивных параметров изделия. Наиболее известными системами автоматизированного проектирования являются: P-CAD OrCAD PADs DxDesigner Allegro PCB Altium Designer. Для данного проекта использовалась система P CAD.
Опишем четыре различные САПР наиболее употребительные в наше время: P – CAD Altium Designer Dip Trace OrCAD.
D D ComEd SchemEdit - редактор компонентов.
Программа обладает наиболее удобным среди САПР для проектирования печатных плат пользовательским интерфейсом. Вся работа сопровождается подсветкой редактируемых и зависящих от них элементов позволяющих наглядно оценивать ситуацию. Логическая структура принципиальной схемы или платы формируется сразу при построении и изменение одного элемента отражается на зависящих от него.
В редакторах корпусов и компонентов применена послойная система рисования возможно создание компонентов и корпусов на основе готовых шаблонов. Допускается создание корпусов с переменными параметрами (количество ножек расстояние между ними) которые потом можно будет изменять прямо в PCB.
Схемотехника поддерживает создание многолистовых принципиальных схем переход с одного лиcта на другой осуществляется с помощью общих шин которые соединены межстраничными переходами. Созданная принципиальная схема преобразуется в печатную плату выбором соответствующего пункта меню или нажатием комбинации клавиш в схемотехнике. Переведенная плата представляет собой корпуса компонентов с логическими связями.
При ручной трассировке выполняется подсветка всех выводов сети и автоматическое удаление уже разведенных связей при редактировании разведенных трасс возможно перемещение фрагментов проводников с соблюдением углов 90 и 45 градусов либо свободное изменение ширины перевод из одного слоя в другой и т.п. Автотрассировка осуществляется с помощью встроенного сеточного оптимизационного трассировщика - Simple Router.
Вывод принципиальных схем и печатных плат на принтер выполняется в произвольном масштабе для печатной платы указываются объекты принципиальной схемы - листы. Возможна подстановка рамки и штампа (штампов) для рамки может задаваться разметка зон. Создание штампов осуществляется прямо в программе через специальный редактор работающий по принципу электронных таблиц.
Программа поддерживает экспорт плат в DXF Gerber и NC Drill. Для Gerber существует возможность разметки отверстий. При экспорте текста осуществляется векторизация с заданным шагом таким образом что можно использовать любой шрифт установленный в системе. Также поддерживается векторизация и экспорт в Gerber растровых черно-белых изображений.
Специальная функция экспорта обводки в DXF позволяет производить платы методом фрезерования (необходим конвертер DXF в G-код который можно скачать с нашего сайта).
Имеется большое количество библиотек корпусов и компонентов. Стандартные библиотеки содержат более 40 тыс. компонентов различных фирм-производителей.
Программный пакет распространяется по принципу Shareware (попробуй прежде чем купить) с 30-дневным пробным периодом.
Доступен также бесплатный вариант пакета - ограничение в 250 выводов отсутствует экспорт в форматы DXF Gerber и NC Drill.
Система ОrCAD является системой моделирования и сквозного проектирования аналого-цифровых электронных устройств. Продукты серии OrCAD принадлежат компании Cadence Design Systems. проектирования аналого-цифровых электронных устройств. Название OrCAD произведено от слов Oregon и CAD. Последняя версия OrCAD 16.2 обладает возможностями по созданию и поддержке баз данных доступных интегральных схем и работает в ОС Windows 9x Windows NT 4.0 Windows 2000 Windows XP Windows 2003 Windows Vista. Базы данных могут быть обновлены путем скачивания пакетов производите-
лей компонентов таких как Texas Instruments. В России пока наиболее хождение имеет версия 9.2 вышедшая в октябре 2000 года уже после объединения фирм OrCAD и Cadence Design SystemsВ составе пакета следующие модули:
Capture — управляющий модуль. При помощи этого модуля
создаются принципиальные схемы проектов разного типа. OrCAD Capture — наиболее популярная в мире система для схемного ввода вследствие ее универсальности и широких возможностей. От проектирования новых аналоговых схем или редактирования цифровых принципиальных схем для существующей печатной платы до проектирования типовыми фрагментами схем — последняя версия OrCAD Capture предоставляет все необходимые инструменты для быстрого проектирования редактирования проверки проекта и запуска изделия в производство.
Capture CIS Option модуль для создания принципиальных схем с поддержкой Internet.
PSpice Analog Didital —моделирование аналоговых устройств. Обеспечивает как стандартные методы анализа: расчет режима по постоянному току частотных характеристик и переходных процессов расчет чувствительности схемы к разбросу параметров компонентов и проверка работоспособности для наихудшей комбинации отклонений от номинала графический анализ формы сигнала и т. д.
PSpice Аdvanced Аnalysis — пакет параметрической оптимизации. С опцией PSpice Advanced Analysis PSpice является незаменимым средством для анализа и моделирования.
PCB Designer — является полным масштабируемым решением
для проектирования печатных плат. Это мощная единая среда для разработки печатных плат;
OrCAD GerbTool - программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров (разработка фирмы WISE Software Solut
SPECCTRA for OrCAD — программа автоматической и интерактивной трассировки;
Signal Explorer — выполняет анализ целостности сигнала для готовой платы что позволяет сразу оценить работоспособность изделия без выпуска физического прототипа и тем самым сократить сроки проектирования.
Линейка программ OrCAD реализует все этапы проектирования ПП: схемный ввод размещение компонентов трассировка вывод изделия в производство.
Altium Designer 10 — это система позволяющая реализовывать проекты электронных средств на уровне схемы или программного кода с последующей передачей информации в ПЛИС или печатную плату. Отличительной особенностью программы является проектная структура и сквозная целостность ведения разработки на разных уровнях проектирования. Иными словами изменения в разработке на уровне платы могут мгновенно быть переданы на уровень ПЛИС или схемы и так же обратно. Так же в качестве приоритетного направления разработчиков данной программы стоит отметить интеграцию ECAD и MCAD систем. Теперь разработка печатной платы возможна в трёхмерном виде с двунаправленной передачей информации в механические САПР (Solid Works ProENGINEER и др.)
Данный пакет состоит из двух продуктов базирующихся на единой интегрированной платформе DXP возможность работы с тем или иным из них зависит от типа приобретённой лицензии:
Altium Designer Custom Board Front-End Design — Проектирование ПЛИС схемотехническое проектирование и моделирование.
Altium Designer Custom Board Implementation — Проектирование печатных плат и ПЛИС.
В состав программного комплекса Altium Designer входит весь необходимый инструментарий для разработки редактирования и отладки проектов на базе электрических схем и ПЛИС. Редактор схем позволяет вводить многоиерархические и многоканальные схемы любой сложности а также проводить смешанное цифро-аналоговое моделирование. Библиотеки программы содержат более 90 тысяч готовых компонентов у многих из которых имеются модели посадочных мест SPICE и IBIS-модели а также трёхмерные модели. Любую из вышеперечисленных моделей можно создать внутренними средствами программы.
Редактор печатных плат Altium Designer содержит мощные средства интерактивного размещения компонентов и трассировки проводников которые совместно с интуитивной и полностью визуализированной системой установки правил проектирования максимально упрощают процесс разработки электроники. Инструменты трассировки учитывают все требования предъявляемые современными технологиями разработок например при трассировке дифференциальных пар или высокочастотных участков плат. В состав программы входит автоматический трассировщик Situs в котором используются наиболее прогрессивные алгоритмы трассировки печатных проводников. Принципиальным отличием последней версии Altium Designer является поддержка двунаправленной работы с механическими деталями и моделями компонентов в формате STEP которые могут быть импортированыэкспортированы из механических САПР.
Работа над всеми частями проекта ведётся в единой управляющей оболочке Design Explorer что позволяет разработчику контролировать целостность проекта на всех этапах проектирования. Таким образом изменения внесённые на любом этапе разработки автоматически передаются на все связанные стадии проекта. В дополнение к мощным средствам разработки Altium Designer имеет широкие возможности импорта и экспорта сторонних систем проектирования и поддерживает практически все стандартные форматы выходных файлов (Gerber ODB++ DXF и т. д.). Полностью поддерживаются все наработки в виде схем плат и библиотек разработанные в последних версиях P-CAD.
Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат а именно:
графический ввод электрических схем;
смешанное аналого-цифровое моделирование
упаковку схемы на печатную плату;
интерактивное размещение компонентов;
интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
контроль ошибок в схеме и печатной плате;
выпуск документации;
анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
подготовку файлов Gerber и NC Dr
подготовку библиотек символов топологических посадочных мест и моделей компонентов.
Порядок разработки печатного узла
Создание или редактирование библиотечных компонентов и сохранение их в библиотеке с помощью Symbol Editor и Pattern Editor Library Executive.
Проектирование электрической схемы с помощью Schematic.
Проверка электрической схемы и создание списка связей.
Загрузка списка связей в РСВ и размещение компонентов на печатной плате.
Трассировка печатной платы.
Проверка соблюдения конструкторско-технологических ограничений.
Создание УГО электрорадиоэлементов в P-CAD Symbol editor.
Рассмотрим данный процесс на создании диода VD.
С помощью команды Place Line начертим УГО стабилитрона. Выполним команду Place Pin. В диалоговом окно Place Pin в поле Length установим флажок в окне User и зададим длину вывода 5 мм. В поле Default Pin Name введем имя вывода - x1в поле Default Pin Des - номер вывода 1. Нажмем на кнопку ОК и установим вывод сверху от УГО стабилитрона. Для второго вывода ставим Pin Name (x2) и Pin Des (2) . Для установления невидимости имен и позиционных обозначений выводов выполним команду EditSelect (Выбор) и удерживая клавишу «CTRL» выделим оба вывода. Нажмем правую клавишу мыши (ПК) и в контекстном меню выберите пункт Properties (Свойства). В появившемся окне Pin Properties (Свойства контактов) в поле Display (Экран) уберем флажок у пунктов Pin Name и Pin Des. Нажмем ОК. Командой Place refpoint разместим точку привязки на верхнем выводе стабилитрона. Для стабилитрона необходимо ввести атрибуты RefDes (позиционное обозначение) и возможно Value (значение номинала). Для этого выполним команду PlaceAttribute и в открывшемся окне Place Attribute выберите из списка Attribute Category элемент Component а из списка Name – элемент RefDes. Дополнительно в поле Justification установите привязку атрибута по центру. Нажмите кнопку OK и разместите атрибут над резистором. Аналогично размещается атрибут Value. Для проверки правильности символа компонента совершим команду UtilsValidate. Созданный символ нужно занести в библиотеку с помощью команды SymbolSave или SymbolSave As. При отсутствии готовой библиотеки она создается командой LibraryNew. По команде SymbolSave открывается окно в котором с помощью кнопки Library необходимо указать путь и имя библиотеки в которую сохраняется символ. В поле Symbol указывается имя для символа например VD.
Рисунок 6. Диод в Symbol Editor.
Создание посадочного места компонента с помощью редактора корпусов Pattern Editor.
Рассмотрим создание посадочного места на примере диода. На слое TOP по команде PlacePad разместим контактные площадки для выводов компонента. При необходимости для изменения стиля контактной площадки выберем соответствующий вывод (предварительно выполнив команду Select) и выполним команду Properties из контекстного меню. На вкладке Pad в поле Pad Style выберем нужный стиль контактной площадки. На слое Top Silk нарисуем контур стабилитрона (проекцию корпуса на плоскость платы) с помощью команды рисования линии PlaceLine. На слое Top Silk по команде Place Attribute разместим атрибуты RefDes и Value (необязательный атрибут). С помощью команды Place Ref Point поставим точку привязки на верхний вывод компонента. Выполним проверку командой Validate Pattern. Сохраним созданный корпус в библиотеке по команде PatternSave As под именем VD.
Рисунок 7. Диод в Pattern Editor
Создание компонентов с помощью Library Executive.
Менеджер библиотек создает компонент объединяющий символ для схемы посадочное место для печатной платы и таблицу описания выводов которая связывает символ и посадочное место а также записывает компонент в интегрированную библиотеку.
В программе Library Executive выполним команду ComponentNew и выберем библиотеку с записанными сведениями о УГО стабилитрона (Symbol) и его посадочном месте (Pattern). Появится окно Component Information. Нажмем кнопку Select Pattern и выберите корпус для стабилитрона. В поле Number of Gates укажем количество секций - 1. Внизу окна появится строка для этой секции а в поле Number of pads - количество выводов корпуса. В поле Component Type выберите тип компонента - Normal. В поле Gate Numbering выберите способ именования секций компонента Numeric (числовой). Стиль компонента - Homogeneous (однородный компонент). В поле RefDes Prefix задайте префикс (шаблон) позиционного обозначения компонента (VD).
Для подключения УГО (символа) стабилитрона выберем в нижней таблице строку в графе Normal нажмем на кнопку Select Symbol и в открывшемся окне Library Browse из списка символов выберем символ стабилитрона.
В столбцах таблицы выводов компонента (Pins View) указана следующая информация:
Pad# - номер вывода корпуса (в порядке появления контактных площадок при создании посадочного места);
Gate# - указывается номер секции к которой относится вывод. Всем выводам отдельной секции независимо от их функционального назначения присваивается одна и та же цифра;
Gate Eq - код логической эквивалентности секции компонента. Для однородных многосекционных компонентов секции взаимозаменяемы. Возможность замены секций отмечается в данном столбце введением одинакового кода отличного от нуля (например 1). Если секции неэквивалентны (как в неоднородных микросхемах) то каждой из них присваивается свой код эквивалентности (1 2 и т.д.);
Elec. Type - электрический тип вывода используемый при проверке электрической схемы. Нажатие на стрелку в горизонтальной строке открывает список типов выводов:
-Unknown - неизвестный;
-Power - вывод цепи питания.
Рисунок 8 (Таблица выводов)
После заполнения таблицы выводов необходимо выполнить команду
ComponentValidate для проверки согласованности всех данных компонента и в случае отсутствия ошибок сохранить компонент в текущей библиотеке командой ComponentSave As под именем VD.
Создание электрической схемы в P-CAD Schematic.
Подключим необходимые библиотеки: Меню-> LibrarySetup-> Add (имя библиотеки). Разместим символы библиотечных компонентов на схеме: выполним команду PlacePart на открывшейся панели Place Part нажмем кнопку Browse (просмотр) для отображения в отдельном окне графики выбранного компонента. В окне списка компонентов Name Component найдем компонент VD1 и укажем его значение. В окне RefDes задается начальное значение для позиционного обозначения стабилитронаVD1. Переместим элемент на чертеже в нужное место. Для вращения компонента используется клавиша«R» для зеркального отображения - клавиша «F». Аналогично добавим другие элементы.
Для создания цепи между выводами элементов:
- Выберем команду PlaceWire .
- Нажмем левую кнопку мыши над выводом одного элемента и протянем мышь к выводу другого элемента. При нажатии клавиши мыши получим поворот (угол) цепи. Ортогональность проведения цепей переключается клавишей «О» а изменение положения поворота (угла излома) цепи — клавишей «F». Последний введенный сегмент можно отменить клавишей «Backspace». Вид курсора меняется клавишей «X». Закончить ввод цепи можно нажав правую кнопку мыши или клавишу «Esc». После ввода всей схемы выполним проверку: UtilsErc (Electrical Rules Check - проверка правильности электрических соединений). В открывшемся окне приводится перечень проверок выполняемых программой. Установим все виды проверок. Установим флажки View Report (просмотреть на экране текстовый отчет об ошибках) Summarize Ignored Errors и Annotate Errors (индикация ошибок на рисунке схемы сразу же после выполнения проверки).
После выполнения всех установок нажмем ОК. Результаты поиска ошибок выводятся в текстовый файл с расширением *.erc и одновременно появляются на экране. Для вывода информации о выявленных ошибках нужно выбрать индикатор ошибки и выполнить команду EditProperties. Можно также использовать UtilsFind Errors. Для последующей упаковки схемы на печатную плату (размещения на ПП корпусов ЭРЭ с указанием электрических связей между ними) необходимо сгенерировать список соединений командой UtilsGenerate Netlist. Он включает в себя список ЭРЭ и цепей с указанием номеров выводов ЭРЭ к которым они подключены. В открывшемся окне нажмем на панель Netlist Filename которая позволяет назначить имя выходного файла. Далее указываются папка проекта и имя файла списка соединений. В качестве выходного формата необходимо выбрать P-CAD ASCII (он передает атрибуты схем на ПП).
Рисунок 9. Электрическая схема в P-CAD Schematic.
Трассировка печатных плат средствами автоматизированного проектирования.
Редактор печатных плат P-CAD PCB используется для размещения компонентов на монтажно-коммутационном поле платы ручной и интерактивной трассировки проводников с учетом правил проектирования ПП получения документации и подготовки производства ПП. После проектирования электрической схемы генерируется список связей в котором содержится информация о компонентах схемы и цепях соединяющих выводы компонентов. Этот список загружается в редактор ПП. Интегрированные библиотеки содержат ссылки компонентов на символы электрической схемы и на корпуса в которых размещаются эти символы. Поэтому на ПП появляются корпуса компонентов выводы которых соединены в соответствии с электрической схемой.
Печатная плата как конструкция состоит из диэлектрического основания на верхней и нижней стороне которого (уМПП - и на внутренних слоях) расположены печатные проводники соединяющие выводы компонентов. Для монтажа компонентов плата содержит отверстия в которые вставляются штыревые выводы. При переходе проводника с верхнего слоя на нижний в месте перехода вставляется переходное отверстие. Отверстия имеют металлизацию для обеспечения электрического контакта между слоями. Монтаж компонентов на печатной плате производится с помощью пайки поэтому вокруг отверстий с обеих сторон ПП располагают контактные площадки. Для планарных (SMD) компонентов контактные площадки располагают только на стороне монтажа компонента.
Для последующей трассировки:
В слое Board с помощью команд Place Line и Place Arc нарисуем контур будущей печатной платы (замкнутая фигура).
Для загрузки Netlist программа Pcad PCB берет информацию о элементах находящихся на печатной плате из двух различных мест: о типах корпусов используемых компонентов из библиотеки компонентов о соединениях между компонентами из файла Netlist. Поэтому для успешной загрузки Netlist на печатную плату подключим нашу библиотеку к программе ( LibrarySetup действия аналогичны программе Pcad Schematic).
Размер шага сетки изменяется точно таким же способом как и в Symbol Editor Pattern Editor и Pcad Schematic (в меню OptionsGrid записывается в окне Grid Spacing и добавляется в список сеток Grids при нажатии кнопки Add).
Компоновка ПП - расположение компонентов ПП на поверхности самой печатной платы. В случае если ПП имеет большие размеры высокий уровень сложности и большое количество слоев то обычно ее разработкой занимается целая группа инженеров (например материнские платы на компьютеры). В таких случаях компоновку и трассировку печатной платы могут осуществлять различные люди.
Для упрощения размещения компонентов на поверхности печатной платы (зона которая ограждена линией на слое Board) в программу Pcad встроены полезные функции. Например:
*Перенести компонент на другую сторону печатной платы (на слой Bottom) - выделите компонент и нажмите кнопку F (flip).
*Развернуть компонент на определенный угол - R (rotate) по умолчанию разворачивается на 90 градусов если нажать клавишу "R" при зажатой клавише Shift то компонент развернется на угол установленный в меню Option Configure в окошке Rotation Increment ( по умолчанию установлен 45 градусов).
Используя эти функции попробуем расставить компоненты на ПП таким образом чтобы выполнялись следующие условия:
Максимально близкое расположение групп компонентов друг от друга.
наименьшее количество переходных отверстий и минимально возможная длина дорожек.
Размещение элементов печатного рисунка производят относительно базы координат координатной сетки в соответствии с принятым при разработке печатного узла расположением навесных элементов и их выводов. Основной шаг линий-25 мм; (допускаются вспомогательные шаги)
Отверстия ПП следует располагать таким образом чтобы наименьшее расстояние между внешним контуром платы и краем отверстия было не менее толщины платы.
На каждой плате рекомендуется предусматривать не менее двух технологических базовых отверстий с диаметром не менее 1.3 мм расположенных в узлах координатной сетки по углам платы которые могут быть использованы как крепежные отверстия.
Количество типоразмеров любых отверстий на печатной плате из соображений технологичности и стоимости ПП обычно ограничивают тремя-четырьмя.
При разработке ПП необходимо выполнение требований ОСТ4.101.022-85:
стороны платы должны быть параллельны линиям координатной сетки;
отверстия располагают в узлах сетки;
взаимное расположение монтажных отверстий должно соответствовать ОСТ4.010.030-81 а именно:
размеры от корпуса ЭРЭ до оси изогнутого вывода не менее 20мм;
размер до места пайки не менее 25 мм;
установочные размеры элемента должны быть кратными шагу 25мм или 125 мм;
для каждого вывода ЭРЭ должны быть предусмотрены отдельное монтажное отверстие и контактная площадка;
расстояние между осями выводов соседних ЭРЭ должно быть не менее 25 мм расстояние между корпусами ЭРЭ – не менее 1 мм;
После того как выполнена компоновка элементов переходим непосредственно к трассировке. В программе Pcad PCB существует три вида ручной трассировки электрических соединений:
Route Manua не соблюдает правила заданные разработчиком в меню OptionsDesign Rules.
Route Interactive - наполовину ручная трассировка ПП. В этом режиме программа уже использует правила заданные разработчиком (использовалась при трассировки данной печатной платы - в правилах трассировки указываем количество используемых слоёв а также требования соответствующие выбранному классу точности 2).
Route Advanced - полуавтоматический режим трассировки печатной платы. Программа руководствуется правилами заданными в OptionsDesign Rules. Дополнительно к этому во время трассировки какой-нибудь линии автоматически раздвигаются или меняют свое местоположение другие проводники если они мешают.
При создании печатных плат для электронных узлов РЭС обычно используется координатный способ разводки печатных проводников предусматривающий ортогональные направления проводников на разных сторонах (смежных слоях) платы. Ортогональное направление трасс позволяет свести к минимуму взаимное влияние проводников расположенных на разных слоях и упрощает процесс разводки проводников.
При трассировке прокладывают линии соединений между контактными площадками в соответствии со схемой с учетом конструктивных электрических и технологических ограничений.
В результате работы над курсовым проектом была разработана конструкция зарядного устройства для аккумуляторов которая соответствует современным массогабаритным и функциональным требованиям а также другим требованиям технического задания. Также был выполнен комплект конструкторской документации.
Было подтверждено расчётами что разрабатываемое устройство соответствует всем техническим требованиям что говорит о его надёжности в эксплуатации в рассчитанных условиях.
При выполнении настоящего курсового проекта широко использованы пакеты систем автоматизированного проектирования (САПР) такие как P-CAD AutoCAD. Первый пакет позволил осуществить проектный переход с этапа создания схемы электрической принципиальной к этапу проектирования печатного узла AutoCAD позволил автоматизировано создать графический материал конструкторской документации.
Список использованных источников
ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры. М. 1985. 3 с.
ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М. 1986. 11 с.
ГОСТ 25346-89. Единая система допусков и посадок. Общие положения ряды допусков и основных отклонений. М. 1991. 41 с.
Журнал «Радио» 2006г.№11 стр.44.
Варламов Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры. Изд. 2–е переработанное Р. Г. Варламов. – М. : Сов. радио 1975. – 192c.
Каленкович Н. И. Механические воздействия и защита РЭС: Учеб.пособие для вузов Н. И. Каленкович Е. П. Фастовец Ю. В. Шамгин. – Мн. : Выcш.шк. 1989. – 215c.
Теплообмен в РЭА: конспект лекций по курсу «Конструирование радиоэлектр. устройств» для студентов cпециальностей «Моделирование и компьютер. проектирование РЭС» и «Проектирование и пр-во РЭС» днев. формы обучения Н. С.Образцов [и др.]. – Мн. : БГУИР 2003. – 55 с.: ил.

Перечень элементов.docx

К10-47М 0033мкФ 400В
К10-47М 0068мкФ 400В
Катушка индуктивности RLB1408-103KL
Микроамперметр 0-200мкА
Резисторы С2-33 ОЖО467.093ТУ
ГУИР 971504.001 ПЭ3
Выключатель В3009 250V
Трансформатор ТПК-2-15

сборочный ПП.dwg

Плату изготовить комбинированным методом.
Шаг печатной сетки 5 мм.
Конфигурацию проводников выдержать по
Ширина проводников 1 мм.
Допускается в узких местах занижение
Размер для справок.
Маркировать краской МКЭЧ
СТП АШ 954-44. Шрифт 3
Места расположения маркировки показаны
контактных площадок до 0
Контактные площадки выполнять круглой
формы диаметром 4 мм.
* Размеры для справок. 2. Установку элементов производить по ГОСТ 29137-91 3. Паять ПОС-61 ГОСТ 21931-76. 4. Маркировка элементов показана условно 5. Позиции элементов условно не показаны 6. Остальные технические требования по СТБ 1022-96.
Установка элемента T1

ПП.dwg

Плату изготовить комбинированным методом.
Шаг печатной сетки 5 мм.
Конфигурацию проводников выдержать по
Ширина проводников 1 мм.
Допускается в узких местах занижение
Размер для справок.
Маркировать краской МКЭЧ
СТП АШ 954-44. Шрифт 3
Места расположения маркировки показаны
контактных площадок до 0
Контактные площадки выполнять круглой
формы диаметром 4 мм.
Условное обозначение отверстия
Наличие метализации в отверстии
Диаметр контактной площадки
Минимальные значения основных параметров
Ширина печатных проводников
Параметры элементов рисунка печатной платы
для свободного места
Расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка
Количество отверстий
Длина контактной площадки
Ширина контактной площадки
*Размер для справок. 2. Печатную плату изготовить комбинированным позитивным методом. 3. Печатная плата должна соотвествовать ГОСТ23752-79
группа жесткости 2. 4. Класс точности 3 по ГОСТ 23751-86. 5. Шаг координатной сетки 0
5 мм. Линии координатной сетки условно нанесены с шагом 5 мм. 6. Параметры печатного монтажа приведены в таблицах 1
7. Неуказанные предельные отклонния размеров ±JT122. 8.Остальные технические требования по СТБ 1014-95.
Стеклотекстолит СФ-2-35-1