Разработка печатной платы «Тахометр 3»

• 1. Техническое задание
• 2. Техническое описание
• 2.1 Назначение и основные технические характеристики устройства
• 2.2 Конструкция и детали
• 3. Характеристика элементов
• 4. Проектирование печатной платы
• 4.1 Изготовление печатной платы
• 4.2 Размещение навесных элементов
• 4.3 Метод производства печатной платы
• 5. Техника безопасности при производстве
• Заключение
• Список литературы

1. Техническое задание

Разработать печатную плату для электронного прибора Тахометр-3 (рисунок 1).

Рисунок 1 — Принципиальная электрическая схема прибора.

2. Техническое описание

2.1 Назначение и основные технические характеристики устройства

Прибор имеет двухразрядный цифровой индикатор, показывающий число тысяч и сотен оборотов в минуту. Питается тахометр от бортовой сети автомобиля и потребляет ток 0,45А. Принципиальная электрическая схема прибора изображена на рисунке 1.

Тахометр состоит из узла управления на ИМС DD1 и элементов DD2.1, DD2.3, DD2.4; двух генераторов на транзисторах VT1. VT4; входного формирователя импульсов — триггера Шмитта VT5, DD2.2; счетчика импульсов на ИМС DD3, DD4; промежуточной памяти на ИМС DD5, DD6; дешифратора на ИМС DD7, DD8 и индикатора H1.

Мультивибратор на VT1, VT2 задает время измерения, а мультивибратор на VT3, VT4 определяет рабочий цикл прибора. Входной формирователь и счетчик собраны по типовой схеме и особенностей не имеют, поэтому сразу же начинают работать. В схему тахометра введена промежуточная память на триггерах для исключения мерцания цифр индикатора во время счета. Синхронизируются триггеры К155ТМ5 сигналом с вывода 8 DD1, проходящим через конденсатор С4 и DD9.1 для получения нужной длительности и фазы. Время рабочего цикла устанавливается подбором резистора R11, а время измерения — подбором резистора R7.

Для обычного автомобильного четырехтактного четырехцилиндрового двигателя применяется индуктивный датчик. Он представляет собой 50.70 витков провода ПЭЛ 1.0, намотанных виток к витку на высоковольтном проводе, соединяющем распределитель зажигания с катушкой зажигания.

Один конец катушки датчика обязательно надо изолировать, а второй — соединить со входом тахометра. Частота импульсов зажигания и число оборотов двигателя связаны между собой формулой

f=2n/60

где f — частота импульсов зажигания;

n — число оборотов в минуту вала двигателя.

Так, значению числа оборотов 3000 соответствует частота импульсов 100 Гц. Но так как индикатор тахометра должен показывать в это время 3.0, на счетчик должно пройти только 30 импульсов из 100 в секунду. Поэтому время измерения в этом случае устанавливается 0,3 с. Время рабочего цикла должно быть в 10−20 раз больше (3−6 с).

2.2 Конструкция и детали

Двухразрядный цифровой индикатор болгарского производства VQE24 можно заменить двумя отечественными — АЛС324Б или АЛС342Б. Если заменить дешифраторы КР514ИД2 на К514ИД1, можно исключить из схемы резисторы R13-R19, R21-R27 и применить индикаторы АЛС324А с общим катодом. Все микросхемы серии 155 можно заменить на соответствующие серий 133, 555, 1533. Транзисторы КТ315 можно заменить на КТЗ 12, а КТ361 на КТ326. Диоды VD2, VD3 — любые кремниевые: КД510, КД521, КД509. Конденсаторы С1, С2, С6 — К53−1, К53−14; СЗ, С5 — К73−17; остальные — КМ5, КМ6. ИМС стабилизатора напряжения DA1 — типа КР142ЕН5А, можно заменить на КР142ЕН5 В.

Все детали электронного тахометра, кроме R1 и цифрового индикатора, размещены на двусторонней печатной плате размерами 60×115 мм. Плата помещена в корпус из полистирола размером 65×145×35мм. DA1 устанавливается на небольшом ребристом радиаторе. На резисторе R1 падает около 5 В, что существенно облегчает тепловой режим стабилизатора. Если все детали исправны, то прибор сразу же начинает работать. Налаживание заключается в следующем: на базу VT5 подается сигнал частотой 100 Гц, и подбором R7 устанавливаются показания индикатора 3.0, что соответствует 3000 об/мин.

печатная плата прибор тахометр

3. Характеристика элементов

1. К155ИЕ2

Микросхемы представляют собой двоично-десятичные четырехразрядные счетчики. Каждая ИС состоит из четырех триггеров, внутренне соединенных для деления на 2 и 5. Может использоваться также в качестве делителя на 10. Корпус К155ИЕ2 типа 201.14−1, КМ155ИЕ2 типа 201.14−8.

Условное графическое обозначение

Назначение выводов

Электрические параметры

Предельно допустимые режимы эксплуатации

Зарубежный аналог

SN7490AN, SN7490AJ

2. К155ТМ2

Микросхема представляет собой два независимых D-триггера, срабатывающих по положительному фронту тактового сигнала. Корпус К155ТМ2 типа 201.14−2, масса не более 1 г и у КМ155ТМ2 типа 201.14−8, масса не более 2,2 г.

Условное графическое обозначение Название выводов

Электрические параметры

Зарубежный аналог

SN7474N, SN7474J

3. К155ТМ5

Микросхема представляет собой четыре D-триггера. Корпус К155ТМ5 типа 201.14−2, масса не более 1 г и у КМ155ТМ5 типа 201.14−8, масса не более 2,2 г.

Условное графическое обозначение Назначение выводов

Электрические параметры

Зарубежный аналог

SN7477N, SN7477J

4. К155ЛА3

Интегральная микросхема серии ТТЛ. Микросхемы К155ЛА3 представляют собой 4 логических элемента 2И-НЕ. Содержат 56 интегральных элементов. Корпус типа 201.14−1, масса не более 1 г.

Конец формы Условное графическое обозначение Основные технические параметры К155ЛА3:

Название выводов

Электрические параметры

Зарубежный аналог

SN7400N, SN7400J

5. КР514ИД2

Микросхема изготовлена по биполярной технологии с p-n переходом и предназначенна для применения в устройствах отображения цифровой, знаковой и буквенной информации.

Микросхемы КР514ИД2 представляют собой дешифратор для семисегментного полупроводникового цифрового индикатора с разъединенными катодами сегментов.

Предназначены для работы в электронной аппаратуре в качестве дешифратора логических сигналов из двоичного кода 8−4-2−1 в семисегментный код для питания цифровых полупроводниковых индикаторов.

Содержат 124 интегральных элемента.

Корпус типа 201.14−1, масса не более 1 г.

Условное графическое обозначение Технические характеристики

6. КД212А

Описание

Технические параметры

7. КТ315Г

Транзисторы КТ315Г кремниевые эпитаксиально-планарные структуры n-p-n усилительные.

Предназначены для применения в усилителях высокой, промежуточной и низкой частоты.

Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Тип прибора указывается в этикетке, а также на корпусе прибора в виде буквы соответствующего типономинала. Масса транзистора не более 0,18 г.

Технические параметры

8. КТ361Г

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные структуры n-p-n универсальные.

Предназначены для применения в усилителях высокой частоты (2Т316Г, 2Т316Д, КТ316Г, КТ316Д, КТ316ГМ, КТ316ДМ) и переключающих устройствах (2Т316А, 2Т316Б, 2Т316 В, 2Т316А-5, КТ316А, КТ316Б, КТ316 В, КТ316АМ, КТ316БМ, КТ316ВМ).

Выпускаются:

в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами (2Т316А, 2Т316Б, 2Т316 В, 2Т316Г, 2Т316Д, КТ316А, КТ316Б, КТ316 В, КТ316Г, КТ316Д);

в пластмассовом корпусе с гибкими выводами (КТ316АМ, КТ316БМ, КТ316ВМ, КТ316ГМ, КТ316ДМ);

в виде кристаллов с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов (2Т316А-5).

Тип приборов 2Т316 (А-Д), КТ316 (А-Д) указывается на корпусе, тип 2Т316А-5 указывается в этикетке.

На приборах в пластмассовом корпусе маркировка указывается на корпусе в сокращенном виде: 316А, 316Б, 316 В, 316 Г, 316Д.

Масса транзистора не более 0,6 г в металлостеклянном корпусе, не более 0,5 г в пластмассовом корпусе, не более 0,002 г в кристалле.

Технические параметры

4. Проектирование печатной платы

Все детали электронного тахометра, кроме R1 и цифрового индикатора, размещены на двусторонней печатной плате размерами 60×115 мм. Плата помещена в корпус из полистирола размером 65×145×35мм. Печатная плата разведена с помощью пакета проектирования печатных плат — PCAD.

4.1 Изготовление печатной платы

Для изготовления многослойной (двухслойной) печатной платы применяется метод послойного наращивания. Основан на последовательном наращивании слоёв.

Достоинства МПП: высокая надёжность, уменьшение размеров, увеличение плотности монтажа.

Сокращение трудоёмкости выполнения монтажных операций.

Заготовки из фольгированного диэлектрика отрезают с припуском 30 мм на сторону. После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях, поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают химически соляной кислотой в ванне. Рисунок схемы внутренних слоёв выполняют при помощи сухого фоторезиста. При этом противоположная сторона платы должна не иметь механических повреждений и подтравливания фольги.

Базовые отверстия получают высверливанием на универсальном станке с ЧПУ. Ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле. Полученные заготовки собирают в пакет. Перекладывая их складывающимися прокладками из стеклоткани, содержащими до 50% термореактивной эпоксидной смолы. Совмещение отдельных слоёв производится по базовым отверстиям.

Прессование пакета осуществляется горячим способом. Приспособление с пакетами слоёв устанавливают на плиты пресса, подогретые до 120…130° С. Первый цикл прессования осуществляют при давлении 0,5 Мпа и выдержке15…20 минут. Затем температуру повышают до 150…160° С, а давление — до 4…6 Мпа. При этом давлении плата выдерживается из расчёта 10 минут на каждый миллиметр толщины платы.

Охлаждение ведётся без снижения давления. Сверление отверстий производится на универсальных станках с ЧПУ СМ-600-Ф2.

В процессе механической обработки платы загрязняются. Для устранения загрязнения отверстия подвергают гидроабразивному воздействию.

После обезжиривания и очистки плату промывают в горячей и холодной воде. Затем выполняется химическую и гальваническую металлизацию отверстий. После этого удаляют маску.

Механическая обработка по контуру, получение конструктивных отверстий осуществляют на универсальных, координатно-сверлильных станках (СМ-600-Ф2) совместимых с САПР. Выходной контроль осуществляется автоматизированным способом на специальном стенде, где происходит проверка работоспособности платы, то есть её электрических параметров.

Затем идет операция гальванического осаждения меди. Операция проводиться на авто операторной линии АГ-44. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество её нанесения. Далее производиться обработка по контуру ПП. Эта операция производиться на станке CМ-600-Ф2 с насадкой в виде дисковой фрезы по ГОСТ 20 320–74. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера. Затем методом сеткографии производиться маркировка ПП. Операция производиться на станке CДC-1, который требуемым штампом произведет оттиск на ПП маркировки. Весь цикл производства ПП заканчивается контролем платы. Здесь используется автоматизируемая проверка на специальных стендах.

4.2 Размещение навесных элементов

Размещение навесных элементов осуществляется в с отраслевыми стандартами ОСТ 4. ГО.010.030, ОСТ4. ГО.010.009.

Выбор варианта установки элементов на плату производится в соответствии с заданными условиями эксплуатации и другими требованиями к конструкции печатного узла и аппаратуры, в которую входит данная печатная плата. При расположении навесных элементов можно руководствоваться следующими правилами: Принципиальная электрическая схема разбивается на функционально связанные группы, производится размещение элементов в каждой группе, составляется таблица соединений групп.

а) Группа элементов, имеющая наибольшее количество внешних связей размещается вблизи соединителя, а группа элементов, имеющая наибольшее число связей с уже размещенной группой размещается рядом.

б) При необходимости производится корректировка в размещении отдельных навесных элементов или замена отдельных связей.

в) При размещении необходимо учитывать тепловой режим, то есть элементы, выделяющие большое количество тепла нужно размещать отдельно, либо на теплоотводах. Также необходимо обеспечивать минимальные значения длин связей; должно быть минимальным количество переходов печатных проводников со слоя на слой; должно быть минимальное количество паразитных связей между навесными элементами.

г) Необходимо выполнять равномерное распределение масс навесных элементов.

Элементы с большой массой размещают вблизи мест механического крепления платы.

4.3 Метод производства печатной платы

Метод попарного прессования печатных плат — основан на выполнении межслойных соединений посредством металлизации отверстий, как и для обычных двухслойных плат. Для этого применяется полуаддитивный метод изготовления заготовок (или, как чаще называют, — ядер), из которых в дальнейшем и собирается пакет многослойки.

Этапы метода попарного прессования:

с помощью комбинированного позитивного способа формируются будущие ядра МПП. Отличие состоит лишь в том, что для будущих наружных слоев рисунок топологии не изготавливается — фольга остается целой. Эти слои будут изготовлены на завершающих стадиях, после этапа прессования заготовки платы;

заготовки (ядра) с готовыми внутренними слоями спрессовываются. При прессовании между ядрами размещаются слои прокладочной стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой (такая ткань называется препрегом). Выдавленная при прессовании смола заполняет переходные отверстия, защищая их медное гальванопокрытие от химического воздействия при последующих технологических операциях;

сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;

активация, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка — как и для ДПП при комбинированном позитивном способе, но уже применительно для заготовки МПП;

нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;

основная гальваническая металлизация;

нанесение металлорезиста;

удаление экспонированного фоторезиста;

травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;

удаление металлорезиста;

отмывка платы, сушка;

нанесение паяльной маски;

нанесение финишного покрытия на контактные площадки;

нанесение маркировки;

обрезка платы по контуру;

электрическое тестирование, контроль.

Недостатки метода попарного прессования:

одним из главных недостатков такого метода является необходимость дважды осаждать на внешних слоях МПП гальваническую медь: сначала при металлизации переходных отверстий ядер, затем при металлизации сквозных металлизированных отверстий. Поэтому толщина меди наружных слоев может достигать в отдельных случаях значений 130−160 мкм (типовое значение — 70−100 мкм). Это резко снижает разрешающую способность рисунка на внешних слоях МПП (вследствие значительных боковых подтравов проводников). Кроме того, неравномерность толщины гальванической меди по плоскости платы не обеспечивает достаточного качества и плотности печатного рисунка;

при нанесении паяльной маски и защитных лаковых покрытий создаются затруднения в обеспечении качества такого покрытия — лаки стекают с высоких проводников, обнажая их острые кромки. Это приводит к необходимости использования (в качестве паяльных масок) специальных материалов, которые не дают высокой точности при формировании рисунка маски;

для обеспечения качества металлизации межслойных переходов и их высокой надежности необходимо обеспечить достаточную жесткость заготовок (ядер). Это обстоятельство не позволяет использовать (при таком методе изготовления МПП) тонкие ядра, что влечет резкое увеличение толщины МПП при большом количестве слоев, либо ограничивает количество слоев до 4−6 при необходимости обеспечения толщины платы 1,5−2,0 мм. Такое количество слоев не всегда позволяет получить необходимую плотность топологии;

для заполнения пробельных мест в рельефе печатного рисунка (между соседними слоями МПП) при высокой толщине меди проводников потребуется значительное количество смолы. Это обстоятельство приводит к необходимости использования нескольких достаточно толстых слоев прокладочной стеклоткани (препрегов), что также приведет к увеличению суммарной толщины МПП;

при комбинировании используется два различных технологических метода: гальваническое осаждение меди и травление остатков медной фольги между проводниками. При этом увеличивается стоимость техпроцесса, а также появляются дополнительные расходы на поддержание растворов, принимающих участие в техпроцессах;

для наращивания гальванической меди требуется большое время — несколько часов. Это удлиняет весь техпроцесс в целом и плохо стыкуется со временем, необходимым на стравливание меди (несколько минут — при использовании вертикального оборудования со струйным травлением).

Преимущества метода попарного прессования:

относительная простота реализации, поскольку он основан на обычной технологии металлизации отверстий двухсторонних плат, хорошо освоенной в промышленности;

высокая скорость изготовления плат, поскольку все заготовки (ядра) могут изготавливаться одновременно в одном технологическом цикле;

низкая чувствительность к браку и огрехам изготовления отдельных ядер. Это значительно увеличивает выход годной продукции и, как следствие, удешевляет стоимость МПП.

Метод попарного прессования широко распространен на предприятиях, специализирующихся на двухслойных и несложных многослойных платах. Именно этот метод применяется на подавляющем большинстве отечественных предприятий.

5. Техника безопасности при производстве

Правильная организация труда, четкость и аккуратность в работе способствуют безопасности монтажника на производстве. При выполнении монтажных работ необходимо строго соблюдать основные правила техники безопасности.

Наиболее опасно поражение электрическим током. Монтажник должен знать, что действие тока на организм человека зависит от силы тока, частоты, напряжения, продолжительности воздействия, пути прохождения тока и индивидуальных особенностей организма человека.

Электромонтажник обязан выполнять работы при соблюдении следующих требований безопасности

а) произвести необходимые отключения и принять меры, препятствующие подаче напряжения к месту работы вследствие ошибочного или самопроизвольного включения коммутационной аппаратуры;

б) наложить заземление на токоведущие части;

в) оградить рабочее место инвентарными ограждениями и вывесить предупреждающие плакаты,

д) принять дополнительные меры, препятствующие ошибочной подаче напряжения к месту работы при выполнении работы без применения переносных заземлений;

е) на пусковых устройствах, а также на основаниях предохранителей вывесить плакаты «Не включать — работают люди/» ,

з) проверку отсутствия напряжения производить в диэлектрических перчатках,

и) зажимы переносного заземления накладывать на заземляемые токоведущие части при помощи изолированной штанги с применением диэлектрических перчаток;

Смену плавких вставок предохранителей при наличии рубильника следует производить при снятом напряжении. При невозможности снятия напряжения (на групповых щитках, сборках) смену плавких вставок предохранителей допускается производить под напряжением, но при отключенной нагрузке.

Смену плавких вставок предохранителей под напряжением электромонтер должен производить в защитных очках, диэлектрических перчатках, при помощи изолирующих клещей.

Перед пуском оборудования, временно отключенного по заявке не электротехнического персонала, следует осмотреть его, убедиться в готовности к приему напряжения и предупредить работающих на нем о предстоящем включении.

Присоединение и отсоединение переносных приборов, требующих разрыва электрических цепей, находящихся под напряжением, необходимо производить при полном снятии напряжения.

При выполнении работ на деревянных опорах воздушных линий электропередачи электромонтеру следует использовать когти и предохранительный пояс.

При выполнении работ во взрывоопасных помещениях электромонтажнику не разрешается:

а) ремонтировать электрооборудование и сети, находящиеся под напряжением;

б) эксплуатировать электрооборудование при неисправном защитном заземлении;

в) включать автоматически отключающуюся электроустановку без выяснения и устранения причин ее отключения;

г) оставлять открытыми двери помещений и тамбуров, отделяющих взрывоопасные помещения от других;

Требования безопасности по окончании работы

По окончании работы электромонтажник обязан:

передать сменщику информацию о состоянии обслуживаемого оборудования и электрических сетей и сделать запись в оперативном журнале;

убрать рабочее место;

снять спец. одежду и убрать в шкафчик

Заключение

Согласно заданию на основании схемы электрической принципиальной была разработана печатная плата и трассировка электронного прибора «Тахометр-3». Рассмотрен метод производства печатной платы. Определены характеристики. Раскрыты вопросы техники безопасности производства прибора.

1. Широков Б. Цифровой тахометр // Радио. — 1983. — N9. — С.28−29.

2. Бирюков С. Цифровые устройства на интегральных микросхемах. — М.: Радио и связь, 1984.

3. Пирогова Е. В. «Проектирование и технология печатных плат» Москва «Форум» 2005 г.