Проект регулируемого двухполярного блока питания

Содержание Введение

1. Описание принципа работы схемы электрической принципиальной

2. Техническое и экономическое обоснование выбора ЭКБ

3. Разработка конструкции печатного узла

3.1 Выбор типа печатной платы (односторонняя, двухсторонняя)

3.2 Выбор материала печатной платы

3.3 Выбор метода изготовления печатной платы

3.4 Выбор шага координатной сетки

3.5 Выбор способа установки элементов (ОСТ45 ГО 010.030)

3.6 Расчет размеров печатной платы узла

3.7 Разработка топологии печатной платы

3.8 Разработка компановки печатного узла

3.9 Выбор метода и материала защиты печатного узла от климатических воздействий

4. Ориентировочный расчет надежности прибора или устройства

Заключение

Литература

Введение

Рост эффективности общественного производства, повышение качества продукции, научные достижения сегодня становятся практически невозможными без широкого применения электронной аппаратуры. Практически во всех областях знаний прогресс немыслим без широкого использования электроники. Именно поэтому радиоэлектроника, зародившаяся всего несколько десятилетий назад, является бурно развивающейся областью техники. За это время радиоэлектронная аппаратура прошла несколько этапов развития, каждый из которых позволял резко увеличивать количество функций, которые выполняет аппаратура, повышать их сложность и одновременно при этом сокращать вес и размеры аппаратуры, повышать её надёжность и снижать потребление энергии.

Каждому этапу развития соответствует своё поколение аппаратуры. К аппаратуре первого поколения относят радиоэлектронную аппаратуру, построенную на основе использования электронных ламп. Второе поколение — это аппаратура, построенная с использованием полупроводниковых приборов. Разработка и использование интегральных схем среднего уровня интеграции привели к появлению третьего поколения аппаратуры. Четвёртое поколение — это аппаратура, построенная с использованием интегральных схем повышенной степени интеграции. Аппаратура, в которой применяются большие интегральные схемы с программируемой логикой (микропроцессорные комплекты), позволяющие использовать цифровую обработку информации.

Технический и культурный прогресс обеспечили радиоэлектронной аппаратуре необычайно широкое распространение. Трудно назвать область науки и техники, где не использовалась бы РЭА.

1. Описание принципа работы схемы электрической принципиальной Регулируемый двухполярный блок питания вырабатывает двухполярное напряжение, регулируемое с помощью одного переменного резистора R5. Блок предназначен для питания операционных усилителей, предварительных УЗЧ и других устройств, которым необходимо двухполярное питание. Регулировка выходного напряжения позволяет выбрать оптимальный режим питаемого устройства в процессе его налаживания.

Для налаживания и эксплуатации устройств на операционных усилителях необходим двухполярный источник питания с выходным током 0,2…0,3 А с малым уровнем шума и пульсаций (не более 5 мВ) и возможностью регулировки выходного напряжения в интервале ±3…15 В одним элементом. Многие регулируемые двухполярные блоки питания промышленного изготовления обладают значительной избыточностью для указанных целей. Они рассчитаны на гораздо больший ток (несколько ампер) и содержат встроенные измерители тока и напряжения. Из-за этого стоимость блока обычно чрезмерно велика. Предлагаемый проектируемый мною регулируемый двухполярный блок питания во много раз дешевле.

Основные технические характеристики Выходное напряжение, В:

минимальное…2x3

максимальное…2×15

Пульсации выходного напряжения, мВ, не более…1

Максимальный ток нагрузки, А…0,3

Габариты, см…7x7x12

Основа блока питания — микросхема двухполярного стабилизатора M5230L, производства фирмы Mitsubishi Electric Semiconductor. Эта микросхема предназначена для питания операционных усилителей и предварительных УЗЧ током до 30 мА. Фирменное описание микросхемы размещено в Интернете по адресу http://www.chipfind.ru/ datasheet/pdf. mitsubishi/m5230l.pdf. Там же приведены типовые схемы её включения, а также схемы увеличения выходного тока с помощью внешних транзисторов. На этой основе спроектирована схема предлагаемого блока питания, показанная на рис. 1.

Рисунок 1 — схема электрическая принципиальная Устройство содержит нестабилизированный сетевой блок питания с выходным напряжением 2×25 В на элементах: FU1, Т1, VD1-VD4, С1-С4, регулируемый двухполярный стабилизатор напряжения на микросхеме DA1, транзисторы VT1, VT2, резисторы R1-R9 и конденсаторы С5-С8. Регулируемый стабилизатор напряжения собран по схеме, показанной внизу. Вместо рекомендованной фирмой комплементарной пары 2SA1283 (VT1) и 2SC3243 (VT2) применена более распространённая 2SA1287 (VT1) и 2SC3247 (VT2). Переменным резистором R5 регулируют выходное напряжение обеих полярностей, его коммутирует сдвоенный выключатель SA1. Светодиоды HL1 и HL2 индикаторы плюсового и минусового напряжения соответственно. Резисторы R10 и R11 ограничивают ток через них. Нагрузку подключают к клеммам XS1-XS3 или разьёму ХР1.

Я применил сетевой трансформатор Т1 с выходным напряжением 2×21 В при токе 0,3 А. При повторении устройства можно применить трансформаторы ТП2206, ТПП262, ТПП15. Выпрямительный мост VD1-VD4 выполнен на диодах Шотки, чтобы уменьшить падение напряжения на нём по сравнению с кремниевыми диодами.

Оксидные конденсаторы импортные: С1 и С2 — алюминиевые фирмы JAMICON, C7 и С8 — танталовые окукленные типоразмера «С». Конденсаторы СЗ — С6 — импортные керамические. Переменный резистор R5 — СП5 — 35А. Постоянные резисторы — МЛТ. Резисторы R3 и R4 должны быть равного сопротивления с точностью не хуже 1%, так как с той же точностью будет обеспечено равенство значений выходного напряжения разной полярности. Микросхему M5230L (DA1) в корпусе SIP8 можно заменить на M5230FP в корпусе DIP8. Транзисторы VT1 и VT2 установлены на теплоотводах площадью 3 см? каждый. Для индикации плюсового и минусового выходного напряжения использованы светодиоды HL1 и HL2 красного и зелёного свечения соответственно. Их можно заменить любыми маломощными светодиодами разного цвета свечения. Выключатель SА1 — MTS-201. Разъём ХР1 — вилка РС4ТВ, XS1—XS3 — клеммы КП1.

На передней панели корпуса установлены переменный резистор R5, выключатель SA1, все разъёмы и светодиоды.

2. Техническое и экономическое обоснование выбора ЭКБ Приступая к проектированию любого устройства, разработчик должен помнить о том, что одни и те же характеристики можно получить различными методами. При этом будет различна и стоимость изделия.

Стоимость любого радиоэлектронного изделия зависит от стоимости покупных элементов, стоимости материалов и затрат труда на изготовление деталей и проведение сборочно-регулировочных работ. Эти слагаемые определяют заводскую себестоимость изделия. В процессе эксплуатации потребитель расходует средства на содержание персонала, управляющего аппаратом, на энергопитание, на проведение профилактических и аварийных ремонтных работ.

Поэтому, проектируя схему и выбирая для нее элементы, нужно анализировать не только их функциональные характеристики, но и цену. При этом следует выбирать такие наиболее дешевые элементы, которые по своим функциональным свойствам еще позволяют удовлетворить общим требованиям, предъявляемым к изделию.

В стоимость любого изделия входят затраты на подготовку производства: на разработку технологического процесса, проектирование и изготовление инструмента и нестандартного оборудования. Процесс освоения в производстве нового изделия также вызывает дополнительные затраты. Поэтому большие резервы снижения стоимости любого изделия заложены в использовании уже освоенных в производстве деталей и узлов из других изделий.

Приступая к проектированию, конструктор должен проанализировать схему и конструкцию аналогичных изделий, освоенных в производстве, и по возможности использовать их или выявить те минимальные изменения конструкции, которые придадут ей новые свойства.

Одним из факторов, определяющих стоимость эксплуатации, является содержание персонала, управляющего аппаратом (операторов). Уменьшение этой составляющей стоимости может быть достигнуто за счет автоматизации процесса управления. Однако следует иметь в виду, что автоматизация приводит к усложнению схемы и конструкции аппарата, что повышает его заводскую себестоимость и снижает надежность.

Другой составляющей стоимости эксплуатации являются расходы на энергопитание.

Третьим фактором, определяющим стоимость эксплуатации изделия, является его надежность. Если изделие имеет низкую надежность, то при эксплуатации придется расходовать много средств на запасные части и на содержание высококвалифицированного обслуживающего персонала. Стоимость запасных частей может составлять значительную долю стоимости изделия, так как невозможно предугадать, какая деталь выйдет из строя, и в связи с этим приходится закладывать в запасное имущество большую номенклатуру деталей. Поэтому повышение надежности является большим резервом по снижению стоимости эксплуатации.

При выборе элементов для схемы следует проанализировать условие работы этой схемы напряжение в схеме, температуру и влажность окружающего воздуха и т. д., а также требования, предъявляемые к ее параметрам.

Условия эксплуатации: температура составляет -40°+40°С, давление 695−780 мм. р. с., и влажности 20−98%.

Все постоянные резисторы, используемые в схеме регулируемого двухполярного блока питания, мощностью рассеивания 0,125Вт. Изучив номенклатуру современных резисторов, остановили свой выбор на применении С2−23. Данные резисторы широко используются в радиотехнике и зарекомендовали себя как наиболее надежные и предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве навесного монтажа. Сопротивление резисторов от 1 Ом до 3,01 МОм, точность 10%, диапазон рабочих температур от от -60 до +155 °С.

Выбираем конденсаторы: С1 и С2 типа К50−68, С3 и С4 типа К50−35, С5 типа КМ-6, С6 типа К50−35, С7 и С8 типа К50−35. Оксидно электролитические алюминиевые конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Конденсаторы выпускаются в алюминиевых цилиндрических корпусах с двумя однонаправленными выводами. Электролитический, конденсатор радиального типа предназначен для работы в цепях постоянного, пульсирующего тока и в импульсном режиме. Диапазон рабочих температур от -40 до +85°С, точность 20%.

Трансформатор ТПП262 мощностью 31 Вт, сердечник: ШЛМ20?32, ток первичной обмотки: 0,34/0,19 А, масса: 1,0 кг.

Предохранитель (плавкая вставка) ВП1−1 0,25 А. Обычно предохранители бывают плавкими (одноразовыми). Для защиты электрических цепей устройствами неоднократного срабатывания обычно применяются автоматические выключатели. В низковольтных цепях также применяются самовосстанавливающиеся предохранители. Его параметры: 4?15.

Тумблер МТС-201- переклчатель на плату. Рабочее напряжение: 250 В, рабочий ток: 3А, переключение: ON-OFF, контакты: 2.

Клеммник винтовой МА21−350М-01Р, его размеры 1?1,5 см.

Держатель предохранителя ДПК1−1, его параметры: O24max; L=55max.

Радиатор HS203−20, его параметры: 20×18×15 мм.

Вилка РС4ТВ, ее параметры: IP=50, контакты:4.

Клемма приборная КП-1, ее параметры: Umax=250 В, Imax=6,0А, масса не более 12,5 г.

Выбранные элементы наиболее оптимальны для выполнения схемы регулируемого двухполярного блока питания и обеспечивают надежную и безотказную работу прибора в заданных климатических и электрических параметрах. Использование их позволяет значительно снизить конечные размеры прибора и обеспечить технологичность сборки изделия.

Соответствие условий эксплуатации выбранных ЭРЭ с заданными условиями эксплуатации прибора или устройства сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Необходимо выбрать клемму приборную для включения прибора в сеть переменного тока.

Напряжение сети 220 В, величена коммутируемого тока 2 А. Условия эксплуатации — прибор используется в полевых условиях:

— относительная влажность до 95%;

— температура окружающей среды от -30°С до +30°С;

— частота вибрации 0−25 Гц.

Задаемся температурой перегрева 30 °C, тогда максимальная рабочая температура внутри кожуха прибора будет равна tраб. max = (30°C+30°C)=60°C.

Наиболее подходящим прибором, очевидно, будет клемма приборная КП-1, который имеет следующие характеристики:

— температура окружающей среды от -60°С до +100°С;

— напряжение коммутации 250В;

— ток коммутации 6 А;

— частота вибрации 5−2000 Гц.

Так как параметры, характеризующие условия эксплуатации, находятся внутри интервалов, допускаемых ТУ, то выбор клеммы приборной КП-1 является техническим обоснованием.

Необходимо выбрать вилку для включения прибора в сеть переменного тока.

Напряжение сети 220 В, величена коммутируемого тока 2 А. Условия эксплуатации — прибор используется в полевых условиях:

— относительная влажность до 95%;

— температура окружающей среды от -30°С до +30°С;

— частота вибрации 0−25 Гц.

Задаемся температурой перегрева 30 °C, тогда максимальная рабочая температура внутри кожуха прибора будет равна tраб. max = (30°C+30°C)=60°C.

Наиболее подходящим прибором, очевидно, будет вилка РС4ТВ, которая имеет следующие характеристики:

— температура окружающей среды от -55°С до +125°С;

— напряжение коммутации 250В;

— ток коммутации 5 А;

— частота вибрации 5−2000 Гц.

Так как параметры, характеризующие условия эксплуатации, находятся внутри интервалов, допускаемых ТУ, то выбор вилки РС4ТВ является техническим обоснованием.

Необходимо выбрать клеммник винтовой для включения прибора в сеть переменного тока.

Напряжение сети 220 В, величена коммутируемого тока 2 А. Условия эксплуатации — прибор используется в полевых условиях:

— относительная влажность до 95%;

— температура окружающей среды от -30°С до +30°С;

— частота вибрации 0−25 Гц.

Задаемся температурой перегрева 30 °C, тогда максимальная рабочая температура внутри кожуха прибора будет равна tраб. max = (30°C+30°C)=60°C.

Наиболее подходящим прибором, очевидно, будет клеммник винтовой МА21−350М-01Р, который имеет следующие характеристики:

— температура окружающей среды от -40°С до +105°С;

— напряжение коммутации 250В;

— ток коммутации 15 А;

— частота вибрации 5−2000 Гц.

Так как параметры, характеризующие условия эксплуатации, находятся внутри интервалов, допускаемых ТУ, то выбор клеммника винтового МА21−350М-01Р является техническим обоснованием.

Необходимо выбрать тумблер для включения прибора в сеть переменного тока.

Напряжение сети 220 В, величена коммутируемого тока 2 А. Условия эксплуатации — прибор используется в полевых условиях:

— относительная влажность до 95%;

— температура окружающей среды от -30°С до +30°С;

— частота вибрации 0−25 Гц.

Задаемся температурой перегрева 30 °C, тогда максимальная рабочая температура внутри кожуха прибора будет равна tраб. max = (30°C+30°C)=60°C.

Наиболее подходящим прибором, очевидно, будет тумблер МТS-201, который имеет следующие характеристики:

— температура окружающей среды от -60°С до +100°С;

— напряжение коммутации 250В;

— ток коммутации 3 А;

— частота вибрации 5−2000 Гц.

Так как параметры, характеризующие условия эксплуатации, находятся внутри интервалов, допускаемых ТУ, то выбор тумблера типа МТS-201 является техническим обоснованием.

3. Разработка конструкции печатного узла

3.1 Выбор типа печатной платы (односторонняя, двухсторонняя) За последние десятилетия рост выпуска радиоэлектронной аппаратуры привел к созданию новых методов конструирования аппаратуры.

Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (ёмкость, индуктивность) от образца к образцу.

Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник — участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины. Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным монтажом образует печатную плату. Иногда непосредственно на печатной плате, используя технологические процессы нанесения токопроводящего или изоляционного покрытия, получают отдельные электрорадиоэлементы— индуктивные катушки, контакты разъемов и переключателей и др. Такие элементы также называют печатными.

Система печатных проводников и электрорадиоэлементов, нанесенных на изоляционное основание, образует печатную схему.

По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные и многослойные (МПП). Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП).

Многослойная печатная плата (МПП) состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.

Многослойные печатные платы имеют соединения между проводниками, расположенными в различных слоях или открытый доступ к отдельным участкам проводников внутренних слоев для припайки к ним ЭРЭ.

В процессе разработки печатной платы данного устройства, оказалась возможной реализация его на двухсторонней печатной плате. Исходя из этого, следует, что данный регулируемый двухполярный блок питания может быть организован на двухсторонней печатной плате, что не помешает согласованной работе всех его элементов.

3.2 Выбор материала печатной платы Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

В зависимости от назначения печатной платы в качестве изоляционного используют в основном гетинакс и стеклотекстолит. Фольгу делают из меди, так как она обладает хорошими проводящими свойствами.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно является эпоксидная смола для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс — это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс — это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит — это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6−12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований (см. дальше) следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса.

Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса. Последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит. Номенклатура наиболее широко применяемых материалов приведена в таблице 2.

Таблица 2 — Материалы

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая — из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения — 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистором, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм.

Для нашей печатной платы выбираем фольгированный двухсторонний стеклотекстолит с толщиной 35мкм.

3.3 Выбор метода изготовления печатной платы Процесс изготовления изоляции печатной платы с печатным монтажом состоит из двух основных операций:

1) создание изображений печатных проводников:

— копирование изображения с негатива на светочувствительный слой;

— печатание изображения защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы.

2) создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.

Самое большое распространение получили три метода токопроводящего слоя. Химический, при котором производиться вытравливание незащищенных участков фольги предварительно наклеенной на диэлектрик. Электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1 — 2 мкм, который затем наращивается гальваническим способом до нужной толщины. При этом методе одновременно с проводниками металлизируются стенки отверстий, которые можно использовать как перемычки для соединения проводников расположенных на различных сторонах платы. Комбинированный метод. Сущность его состоит в том, что сочетаются химический и электрохимический метод. При использовании комбинированного метода проводники получаются травлением фольги и металлизируются отверстия электрохимическим методом. Метал, нанесенный на стенки отверстия, должен быть соединен с контактной площадкой по всему периметру отверстия. При установке объемных проводников и выводов элементов металлизированные монтажные отверстия обеспечивают надежные впаянные контакты. В этом случае припой затекает в отверстие и контактирует не только с частью вывода, но и со стенкой отверстия и той частью вывода, которая расположена в нем. Использование не металлизированных отверстий приводит к меньшей надежности паки. В данное время для изготовления печатных плат применяют химический и комбинированный метод. Химический метод обеспечивает большую производительность, при этом не может быть получена высокая плотность монтажа, кроме того, он не может обеспечить высокую надежность пайки. Платы, изготовленные этим способом, уступают платам, изготовленным электрохимическим способом.

Электрохимический способ можно использовать как для одностороннего, так и для двухстороннего монтажа.

В данном случае целесообразно использовать химический способ получения плат при двухстороннем монтаже.

3.4 Выбор шага координатной сетки Чертежи печатных плат выполняют на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника. При этом на сетке можно воспроизвести рисунок печатной платы при изготовлении фотооригиналов, с которых будут изготавливать шаблоны для нанесения рисунка платы на заготовку.

Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2,5 или 1,25. Шаг 1,25 применяется в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм. Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой выводна вертикальной или горизонтальной линиях координатной сетки.

Следовательно, для удобства я выбираю шаг координатной сетки 2,5 мм.

3.5 Выбор способа установки элементов (ОСТ45 ГО 010.030)

Компоновка радиотехнического изделия — часть процесса конструирования. На этом этапе определяются форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплутационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность.

При выборе компоновки следует искать такие компоновочные решения, которые удовлетворяют следующим требованиям:

а) между отдельными узлами и приборами должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта, обслуживания;

в) расположение и конструкция органов управления, индикации должны обеспечить максимальные удобства для пользователя;

г) изделие должно удовлетворять требованиям технической эстетики;

д) габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Печатную плату, с установленными на ней электрорадиоэлементами, называют печатным узлом.

Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстие печатной платы и запаивают. Если корпус электрорадиоэлементов имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим площадкам внахлест.

Электрорадиоэлементы со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны. Для платы с односторонней фольгой — на стороне, где нет фольги. Это обеспечивает возможность высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной».

При размещении электрорадиоэлементов на печатной плате необходимо учитывать следующее:

1) полупроводниковые приборы и микросхемы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.).

2) должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты.

3) должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировании схемы.

Элементы установленные по типу Iа (рис. 2) могут работать в более жестких условиях, чем элементы установленные по типу IIа (рис. 3) и IIIа (рис. 4).

Рисунок 2 — Установка элементов по типу Iа Рисунок 3 — Установка элементов по типу IIа Рисунок 4 — Установка элементов по типу IIIа В зависимость от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы — их нужно крепить дополнительно за корпус.

Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элемента можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, лакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.

Электрорадиоэлементы должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки электрорадиоэлементов на печатной плате. При большом количестве микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть не менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке.

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы и закреплять на шасси аппаратуры.

3.6 Расчет размеров печатной платы узла По схеме электрической принципиальной выбираются все элементы, которые будут установлены на печатной плате и их установочные размеры.

Таблица 3 — Габаритные размеры ЭРЭ

Умножим сумму всех элементов на коэффициент заполнения — это необходимо сделать для того, чтобы детали располагались на плате свободно и для удобства проведения печатных проводников. Принимаем коэффициент заполнения равный 2,5, так как требуется обеспечить теплоотвод некоторых элементов.

Общая площадь печатной платы будет равна S=3040мм²

Отношение «а» к «в» должно быть меньше или равно отношению 3/1, где «а» — длина платы, «в» — ширина платы.

Возьмем плату со сторонами 115×50 мм.

3.7 Разработка топологии печатной платы Процесс разработки печатной платы складывается из следующих операций:

а) компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;

б) разводка печатных проводников («трассировка»). Цель этой операции — провести проводники, соединяющие контактные площадки так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечения.

Компоновка и разводка связаны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор обнаруживает, что компоновку нужно изменить.

В процессе этих операций должны быть определены:

а) зона расположения проектируемой печатной схемы;

б) вспомогательные зоны, служащие для закрепления печатной платы изделия со всеми крепежными и технологическими отверстиями;

в) зоны расположения соединителя, служащего для подключения печатного узла к другим устройствам изделия, и расположение контактных площадок для припайки его выводов.

Разработку топологии выполняют на ЭВМ или на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом, мы выбрали шаг равный 2,5.

Топологический метод конструирования есть графическое представление взаимного расположения элементов конструкции и соединяющих их электрических цепей с реализацией свойств, заложенных в принципиальной схеме. Этот метод успешно используют при разбиении общей схемы на узлы, взаимном размещении базовых элементов на плате, трассировке электрических соединений и разработке структур микросхем. Топологический метод позволяет решать задачи возможного сокращения количества проводников, их длины, числа паяных соединений, выводов на разъемы с учетом обеспечения параметров в соответствии с заданными свойствами конструкции.

Основным документом для решения топологии при компоновке элементов радиоэлектронной аппаратуры служат принципиальные электрические схемы, схемы соединения, геометрия монтажных площадок (панелей, плат, шасси), размеры и форма размещаемых элементов. На размещение элементов значительное влияние оказывают также принятые в каждом случаи критерии оптимального конструирования.

В качестве основных критериев принимают минимальные значения:

а) расстояние между элементами, имеющими наибольшее количество соединительных проводников;

б) суммарной длины проводников;

в) количества проводников;

г) количества пересечений (для печатного монтажа);

д) количество проводников, присоединяемых к одной монтажной точке;

е) количество проводников, присоединяемых к контактам электрических соединителей, соединительных планок и других опорных точек.

С уменьшением расстояний между радиоэлектронными элементами или между проводниками появляется опасность превышения допустимых пределов паразитных связей, при этом можно ожидать и ухудшения теплового режима. Таким образом, к перечисленным выше критериям, прибавляются еще и критерии функционального качества, выражаемые электромагнитной совместимостью и тепловым градиентом. Так как напряжение в узле не превышает 25 В. то расстояние между элементами токопроводящего рисунка берем равным 0.3мм.

Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод — на вертикальной или горизонтальной линиях координатной сетки.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. Диаметры отверстий в плате и диаметры контактных площадок для печатной платы приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Диаметры отверстий в плате и диаметры контактных площадок

Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставленного в него вывода и от толщины платы. Связано это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получится неравномерной, а при большом отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться непокрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее толщины платы.

Чтобы обеспечить надежное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий рекомендуется делать в виде кольца.

Отверстия на плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы. В противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь достаточной механической прочности.

Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы от планарных корпусов, рекомендуется делать прямоугольными.

Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.

3.8 Разработка компоновки печатного узла Компоновка радиотехнического изделия — часть процесса конструирования. На этом этапе определяются форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность. В процессе компоновки необходимо соблюдать следующие условия:

а) между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики. Тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

в) расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

г) изделие должно удовлетворять требования технической эстетики;

д) габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Однако следует отметить, что габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов. Резкое сокращение габаритов и массы было получено при переходе от ламповых схем к схемам на полупроводниковых приборах. Такой переход сопровождался уменьшением выделяемой в аппаратуре мощности и снижением значения питающих напряжений, что позволило наряду с полупроводниковыми элементами применять малогабаритные маломощные резисторы, конденсаторы и другие малогабаритные радиоэлементы. Еще больший эффект получается при широком использовании в аппаратуре гибридных и полупроводниковых микросхем.

Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа — среднее количество радиоэлементов, умещающееся в единице объема, например в 1 см³.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимальных решений.

Радиотехнические изделия имеют разное назначение и состоят из различного количества элементов. Так, схема регулируемого двухполярного блока питания состоит из нескольких десятков элементов, причем масса каждого из них не превышает десятков граммов.

Метод разделения, а также требования к конструкции приборов в значительной степени зависят от характеристик объекта, на котором будет установлено радиотехническое изделие, и от конструкции элементов, из которых состоит схема изделия.

3.9 Выбор метода и материала защиты печатного узла от климатических воздействий Проблема надежности прибора или устройства связана с защитой ЭРЭ от воздействия окружающей среды.

Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы необходимо покрывать слоем лака.

Используемые материалы для защиты печатного узла от внешних воздействий должны иметь следующие свойства:

— малую влагопоглощаемость;

— большое сопротивление изоляции;

— способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре;

— отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур.

Печатные платы наиболее часто покрывают лаком УР- 231 ТУ 6−21−14−90. Однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надежно защитить плату от влаги при длительном воздействии, так как абсолютно влагонепоглощающих лаков не существует.

Разделение поверхности земного шара на климатические районы производят по следующим признакам:

— к районам с умеренным климатом относят районы, в которых температура воздуха лежит в пределах от +45 до — 45⁰С;

— к районам с холодным климатом относят районы, в которых минимальная температура ниже — 45⁰С;

— районы, где температура больше 20⁰С в сочетании с высокой относительной влажностью (более 80%) наблюдается не менее 12ч в сутки непрерывно не менее двух месяцев подряд, относят к районам с влажным тропическим климатом. Если температура воздуха превышает +40⁰С, а влажность ниже норм, указанных в предыдущем пункте, то такой климат называют тропическим сухим;

— к районам с умеренно холодным морским климатом относят моря океаны, при условии, что температура в них не опускается ниже — 45⁰С.

Условия эксплуатации аппаратуры так же зависят от вида помещения или укрытия, в котором она расположена. В соответствии с этим аппаратуру подразделяют на пять категорий:

— аппаратура, предназначенная для эксплуатации непосредственно на открытом воздухе;

— аппаратура, предназначенная для эксплуатации в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например в палатках, в кузовах, прицепах, под навесами при отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков;

— аппаратура, предназначенная для работы в неотапливаемых помещениях с естественной вентиляцией;

— аппаратура, предназначенная для работы в закрытых отапливаемых и вентилируемых помещениях;

— аппаратура, предназначенная для работы в помещениях с повышенной влажностью, например в неотапливаемых помещениях и невентилируемых подземных помещениях, в трюмах кораблей, где возможно длительное наличие воды, и т. п.

При конструировании аппаратуры необходимо учитывать влияние внешних факторов.

Понижение температуры оказывает влияние на работу электромеханических устройств, так как значительные перепады ее от +20 до — 60⁰С приводят к изменению зазоров и натягов. Одновременно происходит сгущение смазочных веществ, что вызывает увеличение моментов и сил трения в подвижных устройствах. При понижении температуры окружающего воздуха меняются и параметры радиоэлементов. Аппаратура должна быть сконструирована так, чтобы при заданной отрицательной температуре ее параметры сохранились.

4. Ориентировочный расчет надежности прибора или устройства Обеспечение надежности является одной из основных задач техники. Надежностью называют свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Требования к надежности вычислительной техники постоянно повышаются, так как область ее применения охватывает все сферы деятельности человека. Под надежностью понимают свойства изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени, при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, транспортировки и хранения.

Надежность — сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают важнейшие технические характеристики изделия (работоспособность, долговечность и безотказность).

Работоспособность — это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами установленными требованием технической документации.

Наработка — продолжительность (или объем) работы изделия измеряемая временем или циклом. В процессе эксплуатации или при испытании изделия в зависимости его назначения различают:

1) суточную (месячную) наработку;

2) наработку на отказ;

3) гарантированную.

Долговечность — свойство, заключающееся в способности сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Отказ — это событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности изделия.

Безотказность — свойства изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.

Интенсивность отказов — это условная плотность вероятности возникновения отказа элемента, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не наступил.

Средняя наработка на отказ. Этот показатель относится к восстанавливаемым объектам, при эксплуатации которых допускаются многократно повторяющиеся отказы. Эксплуатация таких объектов может быть описана следующим образом: в начальный момент времени объект начинает работу и продолжает работу до первого отказа; после отказа происходит восстановление работоспособности, и объект вновь работает до отказа и т. д. На оси времени моменты отказов образуют поток отказов, а моменты восстановлений — поток восстановлений.

Вероятность безотказной работы — это вероятность того, что в пределах заданной наработки времени отказ объекта не возникнет.

Расчет показателей надежности заключается в определении суммарной интенсивности отказов схемы электрической принципиальной. В данном расчете основными данными являются: схема электрическая принципиальная устройства, справочные данные интенсивности отказов элементов изделия.

В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на надежность системы, могут проводиться прикидочный расчет надежности, ориентировочный расчет и уточненный расчет.

Прикидочный расчет проводится на этапе проектирования, когда действительно принципиальных схем блоков системы еще нет. Количество элементов в блоках определяется путем сравнения проектируемой системы с действительно аналогичными, ранее разработанными системами.

Расчет надежности при подборе типов элементов проводится после разработки истинно принципиальных, на самом деле, электрических схем. Целью расчета является определение рационального состава элементов.

Расчет надежности при уточнении режимов работы элементов проводится, когда сильно основные именно конструктивные проблемы решены, но можно еще изменить режимы работы элементов.

Расчет надёжности ведется следующим образом: из специальных справочников выбираются данные об интенсивности отказов и среднем времени восстановления элементов в типовых усредненных условиях эксплуатации (таблица 4).

Далее выбираются поправочные коэффициенты влияния на интенсивность отказов регулируемого двухполярного блока питания:

Поправочные коэффициенты влияния:

· бt (поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры): — 0 °C — 10 °C — 0,5;

— 10 °C — 20 °C — 1;

— 20 °C — 70 °C — 1,5;

— 70 °C — 100 °C — 2.

· бc (поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающей среды):

— лаборатории и проветриваемые помещения — 0,5;

— лабораторные помещения, нормативные условия — 1;

— портативное оборудование для полевых условий — 1,5;

— подвижные установки — 2;

— установка на самолёте (гражданская авиация) — 1,5;

— установка военного назначения — 4;

— установка на морских судах, малого водоизмещения — 2;

— большого водоизмещения — 2,5.

· бн (поправочный коэффициент, учитывающий величину нагрузки):

Уровень нагрузки по отношению к максимальной:

Резисторы:

1/10 максимальной нагрузки максимальная нагрузка двукратное превышение максимальной нагрузки: 1,0; 1,5; 2,0.

Конденсаторы: 1,0; 3,0.

1/10 максимальной нагрузки максимальная нагрузка двукратное превышение максимальной нагрузки: 1,0; 3,0; 6,0.

Транзисторы, диоды:

1/10 максимальная номинальная мощность двукратное превышение максимальной нагрузки: 1,0; 1,5; 2,0.

Уровень электрической нагрузки на прибор берется по максимально номинальной: бн = 1.

Все коэффициенты сводятся в таблицу 5.

Расчет надежности узла Расчет производится для схемы регулируемый двухполярный блок питания Таблица 5 — Расчет надежности

где:

— коэффициент интенсивности отказа элемента (общий) — ;

— коэффициент групповой интенсивности отказа элемента — ;

— общий коэффициент групповой интенсивности отказа элемента;

— общая интенсивность отказов с учетом коэффициента влияния.

По данным таблицы 5 проведем расчет общего коэффициента групповой интенсивности отказов элементов с учетом температурных, нагрузочных факторов и факторов, связанных с воздействием окружающей среды для каждого блока (), по формуле (5.1):

Важной характеристикой работы аппаратуры является среднее время безаварийной работы или средняя наработка на отказ — Тср. Физически, это означает следующее: аппаратура после включения работает в течение случайного интервала времени до первого отказа, причем этот интервал времени для одинаковых изделий меняется от образца к образцу, сохраняя свое среднее значение Тср, относительно которого отклоняется значение случайного интервала времени безаварийной работы.

Средняя наработка на отказ определяется по формуле (5.2):

(5.2),

где:

— коэффициент групповой интенсивности отказа элементов с учетом факторов. Вычислим коэффициент групповой интенсивности отказа элементов с учетом факторов (величина Тср выражается в часах):

Одной из важных характеристик является надежность или вероятность безотказной работы Р (t). Рассчитаем вероятность безотказной работы прибора в течение интервала времени непрерывной работы (t), определяется по формуле (5.3):

(5.3),

где: е — коэффициент, равный 5,70 882;

t — интервал времени, равный 1000 ч.

0,991 1 — правильно.

Вывод в том, что произведенный расчет надежности узла — регулируемого двухполярного блока питания показал, что этот узел имеет высокую надежность работоспособности и может применяться в полевых условиях, при низких и высоких температурах окружающей среды.

Заключение

В данном курсовом проекте мною был разработан регулируемый двухполярный блок питания, который предназначен для питания операционных усилителей, предварительных УЗЧ и других устройств, которым необходимо двухполярное питание. Регулировка выходного напряжения позволяет выбрать оптимальный режим питаемого устройства в процессе его налаживания.