Разработка зарядного устройства

1. Общая часть.

Анализ технического задания

Описание электрической схемы

Особенности данного типа микропроцессора (PIC12F675)

2. Исследовательская часть

Обоснование выбора элементов:

2.2.1 Обоснование выбора транзистора

2.2.2 Обоснование выбора диодов

2.2.3 Обоснование выбора резистора

2.2.4 Обоснование выбора конденсатора

2.2.5 Обоснование выбора микросхем

3. Расчетная часть

3.1 Расчет надежности

3.2 Расчет узкого места

3.3 Расчет катушки индуктивности

4. Конструкторская часть

4.1 Обоснование разработки трассировки печатной платы

4.2 Обоснование разработки компоновки печатной платы

5. Технологическая часть

5.1 Изготовление печатной платы

6. Организационная часть

6.1 Организация рабочего места оператора при эксплуатации электронной аппаратуры

7. Экономическая часть

7.1 Расчет себестоимости

8. Охрана труда

9. Техника безопасности при эксплуатации электронной аппаратуры Литература Приложение (перечень элементов)

Предметом радиоэлектронной техники является теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных областей народного хозяйства. Гибкость электронной аппаратуры, высокие быстродействия, точность и чувствительность открывают новые возможности во многих отраслях науки и техники.

Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа: Радиотелеграфный, радиотехнический и этап электроники.

К характерной особенности современной техники относится широкое внедрение методов и средств автоматики и телемеханики, вызванное переходом на автоматизированное управление. Непрерывно усложняются функции, выполняемые системами автоматизированного управления, а относительная значимость этих систем в процессе производства непрерывно возрастает.

Первое направление связано с постепенным усложнением систем телемеханики за счёт как усложнения структур и увеличения потоков информации, так и увеличения удельного веса процессов обработки информации, второес внедрение вычислительной техники в управление производством и разработкой для целей оперативного управления комплекса устройств, называемых внешними устройствами вычислительных машин. Система внешних устройств ЭВМ, расположенных на расстоянии, представляет собой в основном систему телемеханики многопроводную или двухпроводную в зависимости от способов передачи информации (включая устройства передачи данных).

В связи с широким развёртыванием работ по созданию крупных автоматизированных информационных систем, работающих с цифровыми вычислительными машинами, получивших название автоматизированные системы управления (АСУ), значение систем телемеханики и потребность в них существенно возрастают. В тех случаях, когда объекты территориально разобщены и требуется автоматическая телепередача информации, системы телемеханики выполняют функции систем автоматического сбора и передачи для АСУ информации с нижних ступеней контроля и управления.

Первое направление связано с постепенным усложнением систем телемеханики за счёт как усложнения структур и увеличения потоков информации, так и увеличения удельного веса процессов обработки информации, второес внедрение вычислительной техники в управление производством и разработкой для целей оперативного управления комплекса устройств, называемых внешними устройствами вычислительных машин. Система внешних устройств ЭВМ, расположенных на расстоянии, представляет собой в основном систему телемеханики многопроводную или двухпроводную в зависимости от способов передачи информации (включая устройства передачи данных).

1. Общая часть

1.1. Анализ технического задания

Напряжение питания (В) … 12 — 15

Потребляемый ток, не более (А) … 0.4

Ток зарядки и разрядки, (А) … 0.3

Максимальная регистрируемая емкость (А.ч) … 9,99

Ток зарядки и разрядки, (А) … 0.1

Данное зарядное устройство (ЗУ) автоматизирует процесс зарядки аккумуляторов. Если аккумулятор не разряжен до напряженния 1 вольт, оно проведет его разрядку до этого напряжения и только потом начнется зарядка. По ее окончанию ЗУ проверит работоспособность аккумулятора и, если он неиспрвен, подаст соответствующий сигнал.

1.2. Описание схемы электрической принципиальной

Предлагаемое ЗУ предназначено для одновременной независимой зарядки трех Ni-Cd или Ni-Mn аккумуляторов типоразмера АА или ААА током 0,23А. Оно разработано на основе аналогичной конструкции с целью упрощения в нем применен микроконтроллер со встроенным аналога — цифровым преобразователем. Принципиальная схема собственно ЗУ состоит из узла управления и трех одинаковых по схеме разрядно-зарядных ячеек А1-А2. Для его питания применен сетевой импульсный блок питания.

Узел управления собран на микроконтроллере PIC12F675 и регистре IN74HC164N. Выбор МК PIC12F675 обусловлен наличием встроенного аналого-цифрового преобразователя и невысокой стоимостью.

Типичным представителями PIC производством фирмы Microsoft PIC контроллеры применяются в системах высокоскоростного управления автомобилями и электрическими двигателями, приборах бытовой электроники, телефонных приставках с АОН, системах охраны с оповещением по телефонной линии АТС.

Почти во всех контроллерах есть система прерываний источника прерываний, для которых могут служить переполнение таймеров или изменения соответствий сигналов на некоторых входах БИС.

В PIC — контроллерах предусморенна защита ПЗУ, которая предотвращает нелегальное копирование данных.

Каждая разрядно-зарядная ячейка состоит из стабилизатора тока на микросхеме с токозадающим резистором, электронных ключей на транзисторах. В БП резистор R1 ограничивает пусковой ток. Диодный мост выпрямляет напряжение сети, а фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Преобразователь напряжения собран на микросхеме TNY264Р и работает на частоте около 132кГц.

После подачи МК на DD1 последовательно проверяет наличие подключенных к ячейки аккумуляторов. При отсутствии напряжения на гнезде XS1 МК DD1 «Делает вывод», что аккумулятор не установлен и переходит к анализу следующей ячейки.

Когда аккумулятор подключен, МК DD1 измеряет его напряжение, и если оно более 1Вольта, ячейка включается на режиме разрядки. На выводе 5 регистра DD2 появляется высокий уровень напряжения, открывается транзистор и через него протекает ток разрядки 100мА. Как только напряжение аккумулятора станет менее 1В МК DD1 выключит режим разрядки и светодиод погаснет. Высокий уровень появиться на выводе 6 регистра DD2, откроются транзисторы и начнется зарядка аккумулятора при этом загорится светодиод, информируя о том, что началась зарядка аккумулятора.

1.3 Особенности данного типа микропроцессора PIC12F675

Вычисляемый переход

Вычисляемый переход может быть выполнен командой приращения к регистру PCL (например, ADDWF PIC). При выполнении табличного чтения вычисляемым переходом следует заботиться о том, чтобы значение PCL не пересекло границу блока памяти (каждый блок 256 байт).

Стек

PIC12F675 имеет 8- уровневый 13-зарядный аппаратный стек. Стек не имеет отображения на память программ и память данных, нельзя записать или прочитать данные из стека. Значение счетчика команд заносится в вершину стека при выполнении инструкции перехода на подпрограмму (CALL) или обработки прерываний. Чтение из стека и запись в счетчик команд PC происходит при выполнении инструкций возвращения из подпрограммы или обработки прерываний (RETURN, RETLW, RETFIE), при этом значение регистра PCLHT не измениться.

Стек работает как циклический буфер. После 8 записей в стек, девятая запись запишется вместо первой, а десятая запись заменит вторую и так далее.

Примечание:

1. В микроконтроллере не имеется никаких указателей о переполнении стека.

2. В микроконтроллере не предусмотрено команд записи/чтение из стека, кроме команд вызова/возвращения из подпрограмм (CALL, RETURN, RETLW и RETFIE) или условий перехода по вектору прерывании.

Порты ввода вывода

Некоторые каналы портов ввода/вывода мультиплицированы с периферийными модулями микроконтроллера. Когда периферийный модуль включен, вывод не может использоваться как универсальный канал ввода/вывода.

Регистры PORTA и TRISA

PORTA — 6-разрядный порт ввода вывода. Все каналы имеют соответствующие биты направления в регистре TRISA, позволяющие настраивать канал как вход или выход. Запись '1' в TRISA переводит в соответствующий выходной буфер в 3-е состояние. Запись в '0' в регистр TRISA определяет соответствующий канал как выход, содержимое защелки PORTA передается на вывод микроконтроллера (если выходная защелка подключена к выводу микроконтроллера).

Чтение регистра PORTA возвращает состояние на выводах порта, а запись производится в защелку PORTA. Все операции записи в порт выполняются по принципу «чтение — модификация — запись», т. е. сначала производится чтение состояния выводов порта, затем изменение и запись в защелку.

RA4 — имеет триггер Шмидта на входе и открытый сток на выходе, мультиплицирован с тактовым входом TOCKI. Все остальные каналы PORTA имеют TTL буфер на входе и полнофункциональные выходные КМОП буферы.

Каналы PORTA мультиплицированы с аналоговыми входами АЦП и аналоговым входом источника опорного напряжения. Биты управления режимов работы каналов порта ввода/вывода PORTA находятся в регистре ADCON1.

Примечание. После сбора по включению питания выводы настраиваются как аналоговые входы, а чтение дает результат '0'.

Проверка записи

В микроконтроллере PIC12F675 аппаратно не проверяется значение. Сохраненное при записи. Рекомендуется поверять фактически записанное значение контрольным чтением. Особенно проверку записи необходимо выполнять при возможном исчерпании гарантированного числа циклов стирания/записи.

Защита от случайной записи

Существуют условия при которых запись данных в EEPROM память или во FLASH память программ не будет выполнена. В микроконтроллере PIC12F675 предусмотрены различные виды защиты от случайной записи. При включении питания сбрасывается в '0' бит WREN и во время счета таймера по включению питания PWRT (если он включен) запись запрещена. Обязательная последовательность команд, бит WREN предотвращают случайную запись при сборе микроконтроллера или сбое программы.

Защита записи FLASH памяти программ.

В слове конфигурации размещен бит защиты записи во FLASH память программ командами микроконтроллера. Состояние этого бита может быть изменено только в режиме программирования микроконтроллеров PIC12F675 по протоколу ICSP. Эта защита может быть включена только полным стиранием памяти микроконтроллера. Защита записи влияет на операцию чтения FLASH программ.

2. Исследовательская часть

2.1 Обоснование выбора элементов схемы

2.1.1 Обоснование выбора транзисторов

Произведём выбор наиболее подходящего полупроводникового прибора из ниже приведённого списка.

Таблица 3.1

Выбираем транзистор с наибольшей мощностью и высокой частотой типа КТ 972А.

Таблица 3.2

Выбираем транзистор с малой мощностью и высокой частотой типа КТ 315 Г.

Таблица 3.3

Выбираем транзистор с высокой мощностью и высокой частотой типа КТ 973А.

2.1.2 Обоснование выбора диодов

Диоды VD1 1n5822 и стабилитрон VD2 Bzx79-В8V2 кремниевые.

Они удовлетворяют всем поставленным требованиям, они дешевые и очень экономичны по питанию.

Импортный диодный мост RS207 мы заменим нашим КДС111А.

Его постоянное прямое напряжение при I = 100мА и:

При температуре окружающей среды +25°С————-1,2 В При температуре окружающей среды -60°С ————- 1.3 В.

Постоянный обратный ток Uобр.= Uобр. макс не более:

При температуре окружающей среды 25 °C —————-3мкА При температуре окружающей среды 85 °C —————-50мкА Данный диодный мост соответствует по всем параметрамю по этому свой выбор я остановлю на нем.

Светодиод АЛ307ЖМ арсенитгалевый светодиод для нашей схемы подойдет любой. Так как он используется в данной схеме как нндикатор то возьмем красный.

2.2.3. Обоснование выбора резисторов

Все резисторы выбираются по требуемому номинальному значению и мощности. Иногда в особо точных схемах учитывается допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления. Допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления зависит от типа резистора: композиционный, проволочный, угольный. Выбирая резисторы по мощности, определяется мощность рассеяния на каждом резисторе отдельно по формуле P=UI, P=U²/R, P=I²R, выведенные из закона Ома. Полученная величина увеличивается вдвое. Исходя из полученных значений, выбирают, резисторы эталонных мощностей: 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 5, 10Вт и т. д.

Металлооксидные резисторы содержат резистивный элемент в виде очень тонкой металлической пленки, осажденной на основании из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Металлопленочные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой надежностью. ТКС резисторов типов МТ и ОМЛТ не превышает 0,02%. Уровень шумов резисторов группы, А не более 1мкВ/В, группы Б — не более 5 мкВ/В.

2.2.4. Обоснование выбора конденсаторов

При выборе конденсаторов для радиоэлектронных устройств, приходиться решать одну из противоположных по своему характеру задач. Прямая задача — по известному стандартному напряжению конденсатора найти максимально допустимые значения переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Обратная задача заключается нахождения типа и стандартного напряжения конденсаторов по рабочему режиму.

Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладкам конденсатора, при котором он способен работать с заданной надёжностью в установленном диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение, оговоренное стандартами, называется стандартным напряжением — оно маркируется на конденсаторах, выпускаемых согласно действующих стандартов. Под рабочим напряжением подразумевается значения постоянного и переменного напряжения, которые действуют на конденсаторе при его работе.

Прямая задача нахождения рабочего напряжения по стандартному решается с помощью условий, оговоренных в действующих стандартах. Однако эти условия справедливы лишь для тех случаев, когда переменная составляющая (пульсация) напряжения на конденсаторе меняется по закону гармонического колебания.

Для решения обратной задачи — нахождения типа и стандартного напряжения конденсатора по рабочему режиму, необходимо вначале найти минимальное напряжение, а затем выбрать ближайшее к нему стандартное значение.

Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями:

а) конденсатор не должен перегреваться;

б) перенапряжение на нём недопустимо;

в) он должен быть защищён от прохождения обратных токов, если это полярный оксидный конденсатор.

Для того чтобы конденсатор не перегревался следует рассчитать выделяемую на нём реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.

Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения.

Полярные оксидные конденсаторы, помимо перегрева и перенапряжения, должны быть защищены от прохождения разрушающих обратных токов. Чтобы оксидная плёнка была непроводящей, потенциал оксидированного метала (анода) должен всегда превышать потенциал второго электрода (катода). С этой целью в стандартах оговаривается, что амплитуда переменной составляющей напряжения не должна превышать постоянную составляющую.

Керамические конденсаторы представляют собой пластинки, диски или трубки из керамики с нанесенными на них электродами из металла. Для защиты от внешних воздействий эти конденсаторы окрашивают эмалированной краской или герметизируют, покрывая эпоксидными компанентами после чего заключают в специальный корпус. Керамические конденсаторы широко применябтся в качестве контурных, блокировочных, разделительных. Конденсаторы с диэлектриком из высококачественой керамики характеризуются высокими электролитическими показателями и сравнительно небольшой стоимостью. Сопративление изоляции этих конденсаторов при 20⁰С превышает 5…10 ГОм, тангенс угла потерь на частотах порядка.

Электролитические и оксидно-олупроводниковые конденсаторы отличаются малыми размерами, большими токами утечки и большими потерями. При одинаковых номинвльных напряжениях и номинальных емкостях объем танталовых конденсаторов меньше объема конденсаторов с аллюминивыми анодами. Танталовые конденсаторы могут работать приболеее высоких температурах, их емкость меньше изменяется при изменении температуры, токи утечки у них меньше. Оксидно-полупроводниковые конденсаторы могут работать при более низких температурах, чем электролитические.

Проводимость широко распространненных электролитических и оксидно-полупроводниковых онденсаторов сильно зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому они используются лишь в цепях постоянного и пульсирующего токов.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы используются в фильтрах выпрямителей, в качестве блокирующих и развязывающих в цепях звуковых частот, а также в качестве переходных в полупроводниковых усилителях звуковых частот.

2.2.5 Обоснование выбора микросхем.

В схеме зарядного устройства на микроконтроллере PIC 12F675 используется сдвигающий регистр на 8 выходов IN74HC164N — мы его заменим на КР1157FH5A

Электрические параметры сдвигающего регистра IN74HC164N:

Выходное напряжение …5В+ 0,1 В Ток потребления < …5мА Ток нагрузки …1А Нестабильность по напряжению … + 0,05%

Микросхему LM7805CT и 78L05 заменим на КР142ЕН2А

Электрические параметры КР142ЕН2А:

Выходное напряжение …5 В Ток потребления …4мА Нестабильность по направлению …< 0.3%

Входное напряжение …20 В Выходное напряжение …20 В Выходной ток …50мА Микросхема TNY264P импортная микросхема аналогов нет.

3. Расчетная часть

Расчет надежности

Расчет надежности проводится на этапе проектирования. Для расчета задаются ориентирные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры в нутрии блока. Для большинства маломощных полупроводниковых устройств она не превышает 40⁰С.

Для различных элементов при расчетах надежности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеивания, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов — прямой ток.

Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа по напряжению могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1.5 -2 раза выше напряжения источника питания. Рекомендуемые коэффициенты приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Допустимую мощность рассеяния резисторов можно определить от принятым обозначении на схеме.

Допустимую мощность рассеяния следует брать в качестве номинального параметра, надо брать в половину меньше согласно таблице 1.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надежности считается допустимые напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя из напряжения источника питания. Uн, для конденсатора следует брать в два раза (или в полтора) больше напряжения источника питания. При этом следует учитывать, что согласно ГОСТу конденсаторы выпускаются на допустимое напряжение (в вольтах) 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350.

Конденсаторы на более высокие допустимые напряжения на обкладках, в схемах курсового и дипломного проектирования практически не применяются.

Фактически знание (U_ф) для конденсаторов в расчете надежности следует брать в половинку меньше выбранного.

Для транзисторов номинальный параметр Р_к допустимое следует брать из справочников.

Для диодов контролируемый параметр величина прямого тока I_пр. Брать в справочниках.

Фактическое значение параметров этих элементов следует брать исходя из рекомендации таблицы 1.

При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов увеличиться.

Она так же возрастает, если элемент эксплуатируется в более жестоких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах и вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надежность аппаратуры имеет температура.

Определяя интенсивность отказов при t⁰ = 20⁰C приведены в таблице 2.

Интенсивность отказов обозначается ?₀. Измеряется ?₀ в (1/час).

Таблица 3.

Порядок расчета.

В таблицу 3 заносятся данные из принципиальной схемы.

Таблица заполняется по колонкам. В 1-ую колонку заносятся наименования элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсатора, а дается только его ёмкость. В этом случае следует по емкости, и выбрать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку.

Однотипные элементы записываются одной строкой, а их число заносится в колонку 4.

Микросхемы вне зависимости от типа объединяются в одну группу и записываются в одну строку. Это связано с тем, что у них независимо от типа одинаковая интенсивность отказов, и они могут работать в достаточно широком диапазоне температур. (Большие интегральные схемы не применяются в курсовых и дипломных проектах).

В колонку 4 заносится температура окружающей среды. Её надо определять, исходя из назначения прибора или устройства. Если устройство работает в отапливаемом помещении и не имеет мощных транзисторов, температуру можно брать 40⁰С.

Далее следует запомнить колонку 6. пользуясь теми рекомендациями, которые были даны выше.

Студенту, как правило, не известны фактические параметры элемента. Выбирать их надо, руководствуясь рекомендациями таблицы 1.

Коэффициенты нагрузок.

Для транзисторов: k_н = P_ф / P_кдоп = P_ф / P_н

k_н= 100/200=0,5

Для диодов: k_н = I_ф/I_прср= I_ф/I_н

k_н = 0.5/1=0,5

Для резисторов: k_н = P_ф / P_н

k_н =0,25/0,125=0,5

Для конденсаторов: k_н = P_ф / P_н

k_н =6/12=0,5

Если k_н в таблице для элемента не указано, то следует ставить прочерк или брать k_н = 0,5.

Колонка 7 заполняется по справочнику.

Далее определяется коэффициент влияния (?), которое показывает, как влияет на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят (?) по таблице 4.

При k = 0,5 и t=40⁰С значение, а будет =

Для полупроводниковых приборов 0,3

Для керамических конденсаторов 0,5

Для бумажных конденсаторов 0,8

Для электролитических конденсаторов 0,9

Для металлодиэлектрических или металлооксидных резисторов 0,8

Для силовых трансформаторов 0,6

Для германиевых полупроводниковых диодов? брать таким, как у кремневых. Если в таблице нет тех элементов, которые есть в конкретной схеме. Следует спросить у преподавателя, как быть.

Колонка 10 заполняется из соответствующей таблицы 2.

Колонка 11? i = ?*?

Если изделие испытывает воздействие ударных нагрузок или реагирует, на влажность, атмосферное давление, следует учесть это влияние. В этом случае ?_i в колонке 11

?_i = ?₀*а*а₁*а₂*а₃

где, а — коэффициент влияния температуры;

а₁ — коэффициент влияния механических воздействий;

а₂ — коэффициент влияния влажности;

а₃ — коэффициент влияния атмосферного давления.

Когда колонка 12 заполнена. Можно рассчитать среднее время наработки на отказ Tср.

Для этого суммируют все значения колонки 12, получая

??с. Тогда Tcp = 1/??_с (час) Следует помнить, что ??_с — число, умноженное на 10^-6, т. е. при делении 10^-6 перейдет в числитель

? ?с = 5,119*10^-6

Тср = 1/5,119*10^-6

Тср = 10⁶/0,1 953 507= 195 350,7часов.

Расчет надежности функционального узла

3.2 Расчет узкого места

1. Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки

D _kmin =2Вm + d₀ +1.5h_ф +2?_л+C₁ (3.2.1)

D _kmin = 2×3 +0.7+1.5×0.3+2×0.567 + 0.65

D _kmin = 8.9мм Где Вm — расстояние от края просверленной линии до края контактной площадки.

d₀ — номинальный диаметр металлизированного отверстия.

h_ф — толщина фольги

?_л =?_м L/100- изменение длинны печатной платы при нестабильности линейных размеров.

Где L — размер большой длинны печатной платы

?_м — изменение контактной площадки при нестабильности линейных размеров (обычно 0,3 мм) С₁ — поправочный коэффициент

С1 учитывает погрешности при центровке, сверлении, при изготовлении фото шаблона и др.

Толщина фольги — 0,3 — 0,5 мм Печатные платы размером более 240*240мм — 1 класс плотности

Для плат размером меньше 240*240мм больше 170*170мм — 1 и 2 классы плотности, платы меньших размеров 3 класс плотности.

?_л =?_м L/100 (3.2.2)

?_л = 0.3*189/100

?_л = 0,567 мм

2. Рассчитываем максимальный диаметр контактной площадки

D _kmах =2Вm + d₀ +1.5h_ф +2?_л+C₂ (3.2.3)

D _kmax = 2×3 + 0.7+1.5×0.3+2×0.567+0.77

D _kmax = 9 мм Минимальное расстояние для прокладки n проводников между двумя контактными площадками должно обеспечиваться при максимальном диаметре контактной площадки и максимальной ширине проводника с учетом погрешности ?_ш

3. Минимальное расстояние для прокладки n проводников.

L_min = 0.5(D_k1min + D_k2max) + 2?_ш +(T_max + ?_ш)n + S (n+1) < kh, (3.2.4)

Где T_max = T + ?_ш + 2?_э

k — число клеток координатной сетки

h — шаг координатной сетки

?_э — погрешность при экспонировании.

L_min = 0.5(D_k1min + D_k2max) + 2?_ш +(T_max + ?_ш)n + S (n+1) < kh, (3.2.4)

T _max = T + ?_ш + 2?_э (3.2.5)

T _max =0.67 + 0.05 + 2*0.06=0,84 мм

L _min = 0.5(21.806+21.926) + 2×0.05 + (0.84+0.05) x 2 + 0.5(2+1) <20

L _min = 4.45 + 4.5 + 0.1+1.78 +1.5 <20

L _min= 12.23<20

3.3 Расчет высокочастотной экранированной катушки

Определить размеры, число витков и добротность катушки индуктивности по следующим данным:

Lкэ — индуктивность экранированной катушки (МкГн) — 1 МкГн

f — рабочая частота (МГц) — 132 МГц а*а — площадь, занимаемая катушкой (мм²) 16,5×16,5

1. Определим размер экрана. Применим экран квадратной формы с размером стороны а. Эквивалентный диаметр экрана.

Дэ = 1,2а (3.3.1)

Дэ = 1,2*16,5

Дэ = 19,8 мм

1. Максимальная добротность катушки имеем при 1/Д=1,

Где 1- осевая длинна катушки, Д-её диаметр.

Высокая добротность имеется, если Д=Дэ/2

Найдем Д (см) и 1=Д (см) Д= Дэ/2 (3.3.2)

Д=19,8/2

Д= 9,9 см

2. По графику 1 определяем n, n =1.4

3. Определяем расчетную величину катушки индуктивности без экрана

L = Lкэ/(1-n (Д/Дэ)³) (3.3.3)

L = 1/(1−1,4(9,4/19,8)³)

L = 1/5

L = 0,2мкГн

4. находим оптимальный диаметр провода для однослойной катушки. Считаем, что Д=Д₀ где Д₀ — диаметр каркаса. Пусть 1/Д=1, тогда 1=Д По графику 2 находим вспомогательный коэффициент S

S = 0.4

5. Находим вспомогательный коэффициент P1

P1²=(LS)/Д (3.3.4)

P1²= (0,2*0,4)/9,9³

P1²= 3,3Вт

6. Находим коэффициент а1

а1 = fср/PL² (3.3.5)

а1 = 132/3,3

а1 = 40

7. По найденному значению коэффициента а1 и по графику 3 находим коэффициент В = P1*dопт, где dопт — оптимальный диаметр провода Находим оптимальный диаметр провода

dопт = B/P1 (3.3.6)

dопт = 0.5/40

dопт = 0.8мм

dопт округляют для ближайшего стандартного значения. (Таблица1)

10. Число витков катушки определяем по формуле.

N=v10^-3*L/L₀*Д (3.3.7)

N=v0,2*10^-3/3*9,9

N=v6,73

N=3 витка Где L0 зависит от 1/Д и определяется по графику 4t/Д берем равным 0. Проверим возможность размещения числа витков на принятой длине обмотки Д в см.

11. Находим шаг намотки

t=1/(N-1) (3.3.8)

t = ½.6 -1

t = 0.63мм

12. Собственная емкость катушки, намотанной в один слой на гладком каркасе.

С₀=0,5Д₀ (3.3.9)

С₀= 0,5*9,9

С₀ = 4,65мкГн

13. Находим сопротивления току высокой частоты

r_f = 0.52ДNvf10^-3/dиз (3.3.10)

r_f =0,52*9,9*2,6v132*10³/0,13

r_f = 13,38*11,5*10³/0,13

r_f = 1153Ом

13. Добротность катушки определяем по формуле

Q = wL/ r_f =6.28fL/ r_f (3.3.11)

Где fчастота в МГц, L — индуктивность в мкГн

Q = 6,28*132*2.6/1153

Q = 1,8

4. Конструкторская часть

4.1 Обоснование разработки трассировки печатных плат

Печатные платы — это элементы конструкций предназначенных для соединения элементов электрической цепи при помощи печатных проводников. Печатные платы состоят из диэлектрического основания, на котором расположены плоские проводники. Они обеспечивают соединение элементов. Применение печатных плат позволяет увеличить плотность монтажа. Они дают возможность получить в одном технологическом цикле проводники и экранирующие поверхности. Печатные платы гарантируют повторяемость характеристик, особенно паразитных. Повышается стойкость к механическим и климатическим воздействиям, обеспечивается унификация сложных изделий и повышается надёжность. Платы дают возможность механизировать и автоматизировать монтажно-сборочные, регулировочные и контрольные работы, при этом снижается трудоёмкость работ и стоимость изделия. Недостатком печатных плат является сложность внесения изменений в конструкцию и плохая ремонтопригодность.

К печатным платам предъявляются некоторый ряд технических требований:

Основание должно быть однородным по цвету, монолитным, без внутренних пузырей и раковин, без посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются одиночные вскрошения металла, царапины, следы от удаления отдельных не вытравленных участков, контурное просветление.

Проводящий рисунок должен быть четкий, с ровными краями, без вздутий, следов инструмента. Отдельные протравы (5 точек на 1 дм²) при условии, что оставшаяся ширина проводника соответствует минимально допустимой по чертежу.

Допускаются риски глубиной менее 25 мкм и длинной до 6 мм.

Допускаются отслоения проводника в одном месте не более 4 мм.

При наличии критических дефектов, печатные проводники могут дублироваться объёмными не более 5 для плат 120×180 мм и не более 10 для плат большего размера.

Связь между сторонами платы осуществляется при помощи монтажных отверстий. При помощи их крепятся элементы. Вокруг монтажного отверстия делается ободок, который называется контактной площадкой. Его ширина не менее 50 мкм. Разрывы не допускаются. Допускаются отдельные отслоения контактных площадок до 2% и их ремонт при помощи эпоксидного клея, после чего они должны выдерживать три пайки.

При воздействии повышенной температуры, контактные площадки должны держать температуру порядка 290 С не менее 10 сек без разрывов и отслоения.

Печатные платы классифицируются по параметрам и применению.

Односторонние печатные платы просты и экономичны. Применяются для монтажа бытовой радиоаппаратуры, техники связи, источников питания и т. д. Обычно они выполняются на слоистом или листовом основании: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. Монтажные отверстия могут быть металлизированными и не металлизированными. На одной стороне расположен печатный монтаж, а на другой объёмные элементы; крепёж, арматура, тепло отводы и т. д.

Двухсторонние печатные платы. У них печатный рисунок располагается с двух сторон, а элементы, как правило, с одной стороны. Связь между сторонами осуществляется при помощи металлизированных сквозных отверстий.

Проводные печатные платы применяются в опытном производстве при макетировании. На плате делают контактные площадки, на которые размещают элементы. Связь между ними осуществляют при помощи проводов.

Печатные проводники желательно располагать параллельно друг к другу. При необходимости угол печатного проводника 45.

Узкие проводники легко отслаиваются. Для их закрепления используют сквозные отверстия через каждые 25 — 30 мм, или расширяются контактные площадки 1×1 мм. Если ширина экрана более 5 мм, то в экране надо делать вырезы, т.к. при нагреве медь расширяется и может покоробиться.

Печатные платы в зависимости от минимальной ширины печатных проводников и минимального зазора между ними делят на три класса. К классу 1 относятся платы с пониженной плотностью монтажа, у которых ширина проводников и зазор между ними должен быть не менее 0.5 мм. Класс 2 образуют платы с повышенной плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазоры не менее 0.25 мм. Платы с шириной проводников и зазорами до 0.15 мм (класс 3) имеют высокую плотность монтажа. Платы этого класса следует применять только в отдельных, технически обоснованных случаях.

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.

Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2.5 или 1.25 мм. Шаг 1.25 мм применяют 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.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0.8мм диаметр неметаллизированного отверстия делают на 0.2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0.8 мм — на 0.3 мм больше.

Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого 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 половины толщины платы.

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

Для неметаллизировавнных отверстий и торцов плат шероховатость поверхности делают такой, чтобы параметр шероховатости R_z < 80. У металлизированных отверстий и торцов шероховатость должна быть лучше: R_z < 40.

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 достаточно 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.

Проводники на всем их протяжении должны иметь одинаковую ширину. Если один или несколько проводников проходят через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длина участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной.

Следует иметь в виду, что узкие проводники (шириной 0.3 — 0.4 мм) могут, отслаивается от изоляционного основания при незначительных нагрузка. Если такие проводники имеют большую длину, то следует увеличивать прочность сцепления проводника с основанием, располагая через каждые 25 — 30 мм по длине проводника металлизированные отверстия или местные уширения типа контактной площадки с размерами 1×1 или более.

Если проводник проходит в узком месте между двумя отверстиями, то нужно прокладывать его так, чтобы он был перпендикулярен линии, соединяющей центры отверстий. При этом можно обеспечить максимальную ширину проводников и максимальное расстояние между ними.

Экраны и проводники шириной более 5 мм следует выполнять с вырезами. Связано это с тем, что при нагреве плат в процессе пайки изоляционного основания могут выделяться газы. Если проводник или экран имеют большую ширину, то газы, не находят выхода могут вспучивать фольгу. Формы вырезов может быть произвольной.

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами называют печатным узлом.

Если ЭРЭ имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлест.

ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны. Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.

При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:

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.);

должна быть предусмотрена возможность конвенции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;

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

Если элемент имеет электропроводный корпус и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса, наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.

Эти элементы могут работать при более жестких механических воздействиях, чем установленные.

В зависимости 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.

При установке транзисторов в аппаратуре работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке.

ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу.

На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть менее 1.5 мм (в одном из направлений).

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.

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, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.

Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства: хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам; малую влагопоглощаемость; большое сопротивление изоляции; способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре; отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур.

4.2. Обоснование разработки компоновки печатной платы

Наиболее распространенная сборочная единица КТУ-1 (ячейка) представляет собою монтажную плату с установленными на ней корпусными ЭРЭ и другими элементами конструкции и внешней коммутации. Основными типами ЭРЭ в современных радиоаппаратах являются ИМС, поэтому в дальнейшем будем говорить лишь об установке ИМС на плату с печатным или проводным монтажом. При этом будем иметь в виду, что аналогичные общие требования предъявляются и к установке дискретных корпусных ЭРЭ.

Выбор варианта установки ИМС на плате ячейки определяет ряд основных параметров электронных устройств. Чем плотнее установка ИМС на плате, тем меньше будут габаритные размеры устройства, длины сигнальных связей и количество усилителей — ретрансляторов сигналов; однако при этом усложняется задача автоматизации проектирования и выполнения монтажа, а следовательно, и стоимость монтажной платы; требуются печатные платы с повышенной плотностью и елейностью монтажа, при этом увеличиваются перекрестные наводки между сигнальными цепями; делается более напряженным температурный режим ИМС и усложняется решение задачи теплоотвода в устройстве в целом. Поэтому определение варианта установки ИМС на плате должно производиться в соответствии с требованиями к конкретному радиоэлектронному аппарату и с учетом характеристик ИМС, выбранных для обеспечения этих общих требований.

Для бортового оборудования аэрокосмических объектов с малой производительностью, использующих микромощные ИМС низкого быстродействия, плотность установки ИМС на плате должна быть максимально возможной; это обеспечит необходимые минимальные габаритные размеры оборудования и при малых мощностях и низком быстродействии ИМС не приведет к каким-либо затруднениям в отношении тепловых режимов и помехоустойчивости.

Для больших универсальных ЭВМ высокой производительности, в которых используют наиболее быстродействующие ИМС, потребляющие достаточно высокие мощности, чрезмерное повышение плотности компоновки ИМС нецелесообразно.

Для любых типов корпусов рекомендуется линейно-многорядное расположение ИМС на плате с шагом, кратным 2,5 мм; зазоры между корпусами должны быть не менее 1,5 мм.

ИМС в корпусах со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны печатной платы; штыревые выводы монтируют в сквозные металлизированные отверстия, и концы выводов выступают с обратной стороны платы.

Корпуса ИМС с планарными выводами можно устанавливать на печатных платах с обеих сторон, монтируя выводы на металлизированные контактные площадки, если это позволяет конструкция самой печатной платы.

Штыревые выводы располагают на корпусах ИМС с шагом 2,5 мм, планарные — с шагом 1,25 мм. Площадь и высота корпуса со штыревыми выводами при одинаковом числе выводов больше, чем у корпуса с планарными выводами. Учитывая возможность двусторонней установки ИМС в корпусах с планарными выводами на печатной плате, можно сказать, что при прочих равных условиях плотность компоновки ИМС в корпусах с планарными выводами может в несколько раз превосходить плотность компоновки ИМС со штыревыми выводами.

Однако корпуса со штыревыми выводами имеют существенное преимущество перед корпусами с планарными выводами — их установка и пайка на плате проще поддаются автоматизации.

Из сказанного следует, что ИМС в корпусах со штыревыми выводами используют в ЭВМ общего применения, для которых важен фактор низкой стоимости; ИМС в корпусах с планарными выводами, в основном, используют в военной, аэрокосмической и другой специальной аппаратуре.

На одной плате желательно устанавливать ИМС в корпусах с каким-либо одним типом выводов.

Штыревые выводы, запаянные в сквозные металлизированные отверстия, являются надежным механическим креплением корпуса ИМС на плате.

Планарные выводы удерживают корпус ИМС на плате в результате склейки контактных площадок с диэлектрическим основанием; такое крепление может быть недостаточным для корпусов с большой массой, если аппаратура подвергается заметным механическим воздействиям. В этих случаях должно предусматриваться дополнительное крепление корпуса ИМС к плате, например, с помощью клея.

Перед установкой ИМС на печатную плату выводы ИМС должны быть отформованы и подрезаны в соответствии с выбранным способом установки ИМС. При этом необходимо соблюдать требования технических условий на ИМС в отношении минимально допустимого расстояния от корпуса до места изгиба вывода, радиуса изгиба вывода, расстояния от корпуса до места пайки,

Формовку и подрезку выводов производят с помощью специальных приспособлений, обеспечивающих неподвижность выводов в местах их соединения с корпусом ИМС; это делается во избежание нарушения герметичности корпуса и последующего выхода ИМС из строя.

На рис. 3.1 показаны применяемые виды формовки выводов и установки ИМС в различных корпусах. Изоляционные прокладки устанавливают под корпуса ИМС в тех случаях, когда необходимо их механическое крепление к плате. При этом под корпусом ИМС проходят металлические проводники сигнальных цепей или цепей питания. Металлические прокладки под корпусами ИМС используются в качестве радиаторов; для улучшения теплоотводящих свойств таких прокладок их поверхность может быть развита за пределами корпуса ИМС; один такой радиатор может использоваться для установки нескольких ИМС. Между металлической прокладкой-радиатором и внешним слоем печатного монтажа платы помещается изоляционная прокладка.

При объединении на одной печатной плате ИМС в корпусах с планарными и штыревыми выводами последние можно отгибать на 90° и припаивать их как планарные к контактным площадкам. Таким же образом можно припаивать круглые выводы отдельных дискретных ЭРЭ (например, конденсаторов фильтрации цепей питания). Площадь контактных площадок под такими выводами должна быть достаточно большой, чтобы контактные площадки не отслоились от диэлектрического основания платы в результате перегрева при пайке более массивного вывода. Сам элемент должен быть закреплен за корпус (клеем, специальным держателем), чтобы пайка вывода не несла на себе механической нагрузки