Разработка модуля для радиоэлектронной аппаратуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

32

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Краткое техническое задание

2. Расчёт надёжности объекта проектирования

3. Ориентировочный расчёт надёжности

4. Уточнённый расчёт надёжности

5. Аналитический расчёт печатной платы

6. Расчёт топологических характеристик платы

7. Расчёт вибропрочности радиоэлектронного модуля

Заключение

Список литературы

Приложения:

1. Схема электрическая принципиальная

2. Перечень элементов схемы электрической принципиальной

3. Чертёж печатной платы

4. Сборочный чертёж радиоэлектронного модуля

5. Спецификация к сборочному чертежу

Введение

Производство радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время развивается высокими темпами, находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса. Современная радиоэлектронная аппаратура используется в радиолокации, системах связи, вычислительной технике, машиностроении, в физических, химических и биологических исследованиях и т.д.

В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей РЭА. Функциональная сложность РЭА в свою очередь определяет аппаратную (схемную) и оценивается числом схемных и активных элементов. С увеличением последней возникают противоречия в цепочке взаимодействующих факторов: сложность - надежность - масса - энергопотребление - стоимость - сроки разработки и изготовления. Здесь важную роль играет конструктор, который путем создания и совершенствования элементной базы, новых методов конструирования, применения прогрессивных материалов и методов формообразования деталей и узлов, новой технологии изготовления, способствует разрешению этих противоречий.

Цель данного курсового проекта - формирование системного творческого мышления при проектировании, развитие конструкторских и расчетных навыков.

1. Краткое техническое задание

1.1. Наименование и область применения:

1. 2. Основание для разработки: задание на курсовую работу.

1. 3. Источники разработки: Источником разработки является схема электрическая принципиальная электронного метрономома (А. Рахматуллин. Электронный метроном/А. Рахматуллин// Радиолюбитель 09/2008. с. 2).

1. 4. Технические требования к модулю:

1. 4. 1. Показатели назначения:

Напряжение источника питания, В, не более 4,5…15

потребляемый ток, мА, не более 20…50

мощность выходного сигнала, Вт, не более 0,5

1. 4. 2. Показатели надёжности:

среднее время наработки на отказ, ч, не менее 12000

коэффициент готовности по ГОСТ 27.002-89, не менее 0,95

1. 4. 3. Массогабаритные показатели

габаритные размеры, мм, не более 55х60х15

масса модуля, г, не более 52

1.5. Условия эксплуатации

1. 5. 1. Климатическое исполнение - УХЛ (макроклиматический район с умеренно-холодным климатом)

диапазон температур, °С -60…+40

влажность, % 98

1. 5. 2. Механические воздействия - М3 (возимая и стационарная РЭА промышленных предприятий)

вибрация:

частота, Гц, не более 1…60 ускорение, g, не более 2

удары многократные:

ускорение, g, не более 15

длительность импульса, мс, не более 2…15

1.5. 3. Категория размещения на объекте - 3.1 (в нерегулярно отапливаемых помещениях и объектах)

1. Анализ принципиальной электрической схемы

Анализ принципиальной электрической схемы проводится для выявления электрорадиоэлементов, расположенных на печатной плате и вне её. Определение состава схемы, приведенной на ПТЭС 436234.001 Э3 и выявление ЭРЭ, расположенных на плате и вне платы.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение питания от внешнего источника напряжения 4,5…15 В, подаваемое на разъем ХР1 или от ба-тареи типа "Крона", через выключатель SA1 на входной фильтр (конденсаторы С1, С2) поступает на импульсный по-нижающий стабилизатор напряжения на микросхеме DA1. Импульсный пре-образователь немного сложнее линей-ного стабилизатора напряжения (до-бавлены диод VD1 и индуктивность DR1), но обладает большим КПД, по-этому не требует использования ради-атора для его охлаждения и увеличи-вает время непрерывной работы мет-ронома при батарейном питании. Ве-личина выходного напряжения задает-ся делителем на резисторах R9, R10 и при указанных на схеме номиналах со-ставляет около 3,3 В. В точной под-стройке выходного напряжения нет не-обходимости, так как микросхема DD1 микроконтроллера ATMega8L сохраня-ет работоспособность при напряжении питания от 2,7 В до 5,5 В. Выходной фильтр собран на конденсаторах С4, С5. Диод VD1 введен в схему для за-щиты метронома от подачи напряже-ния неправильной полярности.

Временной интервал между щелч-ками метронома задается программно, на выводах микроконтроллера форми-руются короткие прямоугольные им-пульсы, на 14-ом выводе формирует-ся импульс сильной доли, а на 15-ом выводе - импульс слабой доли, затем эти импульсы смешиваются на резистивном смесителе R11, R12, R14, R15 и усиливаются выходным усилителем.

Выходной усилитель собран на мик-росхеме DA2. Это одноваттный моно усилитель низкой частоты TDA7052A фирмы Philips Semiconductors с отдель-ным входом для управления громкос-тью и минимумом дополнительных вне-шних элементов. Звуковой сигнал от резистивного смесителя через разде-лительный конденсатор СЗ поступает на вход УНЧ, а громкость регулируется с помощью переменного резистора RP1. Максимальное усиление достига-ется при напряжении около 1,4 В на входе управления усилением VC. Диа-пазон питающего напряжении этой микросхемы: от 4,5 В до 18 В, поэтому, для увеличения выходной мощности и экономного расходования энергии, ее питание осуществляется непосред-ственно от входного напряжения, ми-нуя импульсный стабилизатор напря-жения на DA1.

На плате располагаются все элементы, кроме SA1, SB1. Элементы SA1, SB1 расположить на лицевой панели устройства

Элементов, требующих принятия дополнительных конструктивных мер (использование радиаторов, экранирования и т.п.) на плате нет.

Элементов, являющихся источниками тепловых или электромагнитных полей на плате управляющего устройства нет.

Во время анализа электрической принципиальной схемы выявлены электрорадиоэлементы, расположенные на печатной плате и вне её и проведен анализ схемы на наличие тепловых и электромагнитных полей.

2. Выбор элементной базы объекта проектирования

Решение этой задачи ставит целью проверить правильность выбора элементов схемы с позиции их устойчивости к внешним воздействиям.

Элементная база должна выбираться так, чтобы удовлетворять требованиям технического задания - механическим воздействиям М3 и климатическому исполнению УХЛ.

Результаты анализа элементов на устойчивость к внешним воздействиям представлены в таблице 1.

Таблица 1

Справочные данные по устойчивости элементов к климатическим и механическим воздействиям

Наименование радиоэлемента	Виды воздействий	Принятое решение
	Интервал температур, °С мин. макс.	Влажность воздуха 98% при T, °C	Вибрация	Многократные удары
			Частота, Гц	Ускорение, g	Удар, g	Длительность импульса, мс
К10-17	-60…+85	98	1…500	10	40	2…10	Удовл.
К50-35	-60…+125	98	1…3000	10	150	1…3	Удовл.
С2-23	-60…+70	98	1…600	10	40	-	Удовл.
1N5817	-60…+85	98	1…600	10	40	2…15	Удовл.
ДПМ-0,1	-40…+70	98	10…600	10	75	2…6	Удовл.
РК188	-40…+85	98	1…600	10	75	2…6	Удовл.
ATMEGA8L-8PI	-55…+125	-	-	-	-	-	Удовл.
LM2574N-ADJ	-10…+70	-	-	-	-	-	Удовл.
ОНП-ВС-39-Р50	-55…+125	98	5…600	15	75	-	Удовл.

В ходе работы были определены элементы, входящие в состав модуля; с помощью анализа справочных данных оценена устойчивость этих элементов к предполагаемым внешним воздействиям М3. Элементная база удовлетворяет требованиям технического задания по механическим воздействиям, температурному диапазону и влагоустойчивости.

2. Расчёт надёжности объекта проектирования

Под расчетом надежности в данном случае понимается определение численного значения времени наработки на отказ (Тн).

Раздел должен включать в себя два подраздела: ориентировочный и уточнённый расчёты надёжности. Исходными данными для расчёта являются:

принципиальная схема модуля;

справочные данные по интенсивности отказов элементов;

условия эксплуатации модуля.

3. Ориентировочный расчёт надёжности

Ориентировочный расчет надежности производится с целью определения целесообразности дальнейшего проектирования.

При расчете принимаются следующие допущения:

- отказы элементов считаются событиями случайными и независимыми;

- отказ любого из элементов приводят к отказу аппаратуры;

- все элементы функционируют в типовых, номинальных режимах;

- однотипные элементы равнонадежны;

- вероятность безотказной работы элементов изменяются во времени по экспоненциальному закону, то есть считается, что интенсивность отказов элементов есть постоянные величины.

Таблица 2 Показатели надежности основных групп элементов

№	Группы элементов	Количество элементов в группе, Ni	мин, 10-6 1/ч	ср, 10-6 1/ч	макс, 10-6 1/ч
1	Микросхемы средней степени интеграции	2	0,0104	0,013	0,0156
2	Резисторы пленочные	18	0,024	0,03	0,036
3	Конденсаторы керамические	8	0,12	0,15	0,18
4	Конденсаторы электролитические	2	0,28	0,35	0,42
5	Диоды кремниевые	2	0,16	0,2	0,24
6	Дроссели	2	0,27	0,34	0,4
7	Соединители	3	1,22	1,61	1,93
8	Пайка печатного монтажа	131	0,008	0,01	0,012
	Печатная плата	1	0,56	0,7	0,84

Количество точек пайки:

- микросхемы: 28 + 8 = 36

- конденсаторы: 10х2 = 20

- резисторы: 18х2 = 36

- дроссели: 4

- диоды: 4

- выводы: 5

- соединители: 10х2 + 6 = 26

- всего: 131

Определение интенсивности отказов для всего модуля:

= 2,652 * 10 ^-6 1/ч (4.1)

= 3,40* 10 ^-6 1/ч (4.2)

= 4,073 * 10 ^-6 1/ч (43.)

Определение средней наработки на отказ модуля:

= 245700ч (4.4)

= 294117 ч (4.5)

= 377358 ч (4.6)

Так как (245700ч > 12000ч), то модуль удовлетворяет требованиям технического задания с гарантией. Никаких доработок в изделии производить не требуется.

4. Уточнённый расчёт надёжности

Цель - определение показателей надёжности проектируемого модуля в реальных условиях эксплуатации с учётом особенностей функционирования принципиальной схемы, которое позволяет оценить влияние условий применения элементов и дестабилизирующего влияния окружающей среды на надёжность аппаратуры.

В общем случае формула расчета надёжности в реальных условиях эксплуатации имеет вид

, (4.7)

где _а - интенсивность отказа изделия в нормальных условиях эксплуатации;

_мв, _t, _вл, _д - коэффициенты, учитывающие влияние на надёжность механических воздействий, температуры, влажности и давления соответственно;

К_эн - коэффициент электрической нагрузки, учитывающий особенности функционирования принципиальной схемы с выбранными элементами.

Следует учесть, что влияние внешних факторов на элементы различных классов неодинаково. Достаточно сложно вычислить обобщённый К_эн для всего модуля. Поэтому наиболее точный результат интенсивности отказов модуля дает формула, учитывающая соответствующие коэффициенты для каждого i-го элемента:

(4.8)

Методика уточненного расчета модуля состоит в следующем:

1. На основе анализа принципиальной схемы и спецификации определяют типы элементов, входящих в рассчитываемый модуль. Элементы, выполняющие вспомогательные функции, из расчета исключаются.

Для каждого из элементов определяется интенсивность отказов в нормальных условиях эксплуатации и номинальной нагрузкой (_i). Все необходимые данные имеются на кафедре «Проектирования и технологии электронных средств».

2. Для каждого из выбранных элементов вычисляется К_iэн. В данном случае были использованы рекомендованные значения, а не полученные на основе анализа работы принципиальной схемы.

3. Наиболее неоднозначно влияет на интенсивность отказов элементов различных типов температура. Поэтому рассчитанные коэффициенты электрической нагрузки необходимо скорректировать, учитывая максимальную температуру наименее термостойкого элемента, и получить коэффициент К_iпопр.

4. Определяют значение интенсивности отказов проектируемого модуля в реальных условиях эксплуатации

(4.9)

Коэффициенты _мв,, _вл,, _д при условиях, заявленных в ТЗ, получаются равными:

_мв = 1.07

_вл = 1

_д = 1

Исходные данные и результаты расчётов размещены в таблице 3.

Таблица 3

Данные и результаты уточнённого расчёта надёжности

Элемент	Количество элементов в группе	Интенсивность отказов лi, •10-6 1/Ч	Коэффициент электрической нагрузки Kiэн	Коэффициент нагрузки с поправкой Kiпопр	Интенсивность отказов n• лi• Kiпопр, •10-6 1/ч
К10-17	8	0,025	0,7	0,27	0,0378
К50-35	2	0,02	0,7	0,82	0,0230
С2-23	18	0,065	0,7	0,6	0,4914
ДПМ-0,1	0,002	0,08	0,7	0,6	0,0001
1N5817	1	0,08	0,5	0,37	0,0148
ATMEGA8	1	0,19	0,7	0,46	0,0612
LM2574N	1	0,19	0,7	0,46	0,0612
РК188	1	0,033	0,7	0,46	0,0106
ОНП-ВС-39-Р50	3	0,001	0,7	0,46	0,0010
Пайка печатного монтажа	131	0,00007	0,8	0,8	0,0059
Печатная плата	1	0,7	1	1	0,7000
Интенсивность отказов всего модуля, •10-6 1/ч	1,406

Интенсивность отказов всего модуля в реальных условиях эксплуатации:

= 1,07 · 1· 1 ·1,406 · 10^-6 = 1,504 · 10 ^-6 1/ч

Среднее время наработки на отказ модуля:

= 664893 ч (4.10)

Время наработки на отказ модуля при коэффициенте готовности P=0,95:

; = 34104 ч (4.11)

Полученное время наработки на отказ модуля при коэффициенте готовности 0,95 превышает заявленное в техническом задании (12000ч), а следовательно удовлетворяет требованиям по надежности.

5. Аналитический расчёт печатной платы

Цель аналитического расчёта состоит в определении минимально необходимой для размещения элементов схемы и других технологических зон модуля площади печатной платы.

В общем случае печатная плата содержит пять основных технологических зон:

S1 - зона размещения электрорадиоэлементов;

S2 - зона размещения электрического соединителя;

S3 - зона размещения элементов управления, индикации и контроля;

S4 - зона размещения элементов крепления и фиксации;

S5 - зона размещения элементов повышения механической прочности.

При этом площадь печатной платы (S_пл) будет определяться как сумма площадей указанных зон:

S_пл = S1 + S2 + S3 + S4 + S5. (5.1)

5. 1. Определение площади S1

Зона размещения электрорадиоэлементов является основной и определяется по формуле

, (5.2)

где K_s - коэффициент заполнения ПП ЭРЭ, определяемый в зависимости от класса РЭА в пределах 0,4...0,85;

S ⁱуст - установочная площадь ЭРЭ. Данные по каждому элементу представлены в таблице 4.

Таблица 4

Массогабаритные данные ЭРЭ

№ п/п	Тип элемента	Установочные размеры, мм	Установочная площадь, мм2	Масса, г	Количество	Общая уст. площадь, мм2	Общая масса, г
1	К10-17	6,8x4,6	31,28	0,8	8	250,24	6,4
2	К50-35	Ш6	28,3	1,2	2	56,6	2,4
3	С2-23	7,5х2	15	0,4	18	270	7,2
4	1N5817	2,5х10	25	0,4	2	50	0,8
5	ДПМ-0,1	5х20	100	1,5	2	200	3
6	Панель под DIP28	35х10	350	2,5	1	350	2,5
7	DIP8	10х7,5	75	1,2	1	75	1,2
8	РК188 МД	5х11,5	57,5	2,5	1	57,5	2,5
9	ОНП-ВС-39-Р50	4,5х15	67,5	1	1	67,5	1
10	ОНП-ВС-39-Р50	4,5х25	112,5	1,5	2	225	3
Итого	1602	30

K = 0,7

S1 = 2288 мм ².

Варианты установки элементов показаны на рис. 1-10. Шаг сетки равен 1,25 мм.

Рис. 1. Установка резистора С2-23, диодов 1N5817 и дросселя ДПМ (вариант 010)

	КД522	КС139	С2-23-0,25
L, мм	7,5	12,5	7,5
h, мм	2	3	2

Рис. 2. Установка конденсатора К10-17 (вариант 200)

Рис. 3. Установка конденсатора К50-35 (вариант 211)

Рис. 4. Установка кварцевого резонатора РК188 МД (вариант 180)

Рис. 5. Установка разъема ОНП-ВС-39-Р50 (вариант 390).

Рис. 6. Установка разъема ОНП-ВС-39-Р50 (вариант 390).

Рис. 7. Установка микросхемы LM2574N-ADJ (вариант 330).

Рис. 8. Установка панели под микроконтроллер ATMEGA8L (вариант 330).

5.2. Определение площади S2

Рис. 9. Рекомендуемая форма и основные размеры контактных площадок

Зона размещения электрического соединителя определяется в зависимости от установочных размеров соединителя. В случае, если соединитель не предусмотрен, тогда соединение осуществляется с помощью монтажных проводов и контактных площадок. Тогда требуется рассчитать площадь, необходимую для размещения этих площадок.

В первом приближении можно считать, что диаметр контактной площадки (D) в три раза больше диаметра отверстия (d), а расстояние между соседними площадками (V) лежит в пределах (0,6…1)D. Тогда площадь, необходимая для размещения одной площадки:

Sкп = D•(D+V). (5.3)

Общую площадь S2 определим как

S2 = Sкп •N, (5.4)

где N - общее число контактных площадок.

Таблица 5

Диаметр отверстия, мм	Количество отверстий	D, мм	V, мм
0,7	127	1,4	0,6
0,9	4	1,6	1

Получаем S2 = 1,4х(1,4+0,6)х127 + 1,6х(1,6+1)х4 = 372,2 мм ².

5. 3. Определение площади S3

Площадь зоны размещения элементов управления, индикации и контроля определяется в зависимости от установочных размеров соответствующих элементов. В данном случае таковых элементов не имеется и S3=0.

5. 4. Определение площади S4

Площадь зоны размещения элементов крепления и фиксации зависит от их количества и типа. В простейшем случае печатная плата закрепляется с помощью фиксирующих винтов с шайбами. Тогда площадь зоны S4 с учётом расстояния до выводов ЭРЭ (1 2 мм) будет определяться как

S4 = N(B+2) ², (5.5)

где N - количество фиксирующих винтов.

Плата должна быть закреплена четырьмя винтами М3 по углам с шайбами диаметром B=5.

Тогда S4 = 4•(5+2) ² = 196 мм ².

5. 5. Определение площади S5

Площадь зоны размещения элементов повышения механической прочности зависит от геометрических размеров указанных элементов и, как правило, при первоначальном расчете не учитывается, поскольку на данном этапе нельзя сделать вывод о виброустойчивости проектируемой платы в реальных условиях эксплуатации.

В итоге получаем

S_пл = S1 + S2 + S4 = 196 + 372,2 + 2288 = 2856,2 мм ²

Расчёты позволяют выбрать ориентировочный размер печатной платы прямоугольной формы, равный 60х55 мм ².

6. Расчёт топологических характеристик платы

Цель - определение класса точности печатной платы, основных параметров проводников и контактных площадок, а также проведение проверочных расчётов.

6.1. Выбор и обоснование класса точности

Рис.10. Наиболее плотный участок расположения печатных проводников на ПП.

Класс точности в основном определяется возможностью прокладки проводников между двумя соседними контактными площадками. На практике такими площадками считают два наиболее близко расположенные выводы электрорадиоэлемента (чаще микросхем). Расчет минимального расстояния (l) для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями диаметрами D₁ и D₂ с контактными площадками производят по формуле

(6.1)

где n - количество проводников;

₀ - расстояние между контактной площадкой и проводником;

t - ширина проводника;

b - ширина пояска контактной площадки;

- расстояние между проводниками.

Печатные платы первого и второго класса точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. В соответствии с ГОСТом 23751 - 86 выбираем 2 класс точности, для которого имеются следующие параметры монтажа:

f = 0,45 мм;

b = 0,3 мм;

= 0,45 мм.

Чтобы проложить n=1 проводник между ближайшими отверстиями с диаметрами D₁=D₂=0,7 мм, потребуется при первом классе точности

мм.

На рисунке печатных проводников это расстояние составляет не менее 1,25 мм, следовательно, нет необходимости в более высоком классе точности.

6.2. Выбор материала печатной платы

Материал для П.П. выбираем по ГОСТ 23751 - 86. Материалом платы обычно служат фольгированные диэлектрики. Основанием такого материала является гетинакс или стеклотекстолит. Гетинакс легко обрабатывается и очень дешев, но коробится под воздействием тепла и расслаивается. Стеклотекстолит хоть и дороже, но зато обладает высокими конструктивными, технологическими и эксплуатационными характеристиками.

Проектируемый модуль предполагается эксплуатировать в условиях тропического климата с небольшой влажностью, но, учитывая высокую плотность компоновки элементов на плате, в качестве материала печатной платы выбран не гетинакс, а фольгированный стеклотекстолит. Данный материал позволит повысить механическую, в том числе и вибропрочность, а также электрическую прочность изделия.

Толщина фольги стеклотекстолита 35 мкм, общая толщина материала 1,5 мм. Это наиболее оптимальная толщина, так как при меньшей толщине плата может изгибаться при монтаже, а большую толщину брать нет необходимости, так как на плате нет массивных элементов.

6.3. Определение номинального значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка (S) в миллиметрах определяют по формуле

(6.2)

где S_мд - минимально допустимое расстояние между соседними элемен-тами проводящего рисунка;

- верхнее предельное отклонение ширины проводника.

Величину S_мд выбирают из расчета обеспечения электрической прочности изоляции в соответствии с ГОСТ 23751 - 86 или по ОСТ 4.010.019 - 81. Для рабочего напряжения 25 В значение S_мд составляет 0,1 мм. =0,05 для класса точности 2.

S = 0,1 + 0,05 = 0,15 мм.

Получается, что необходимо обеспечить хотя бы 0,15 мм. Минимальное расстояние между проводниками для класса точности 2 составляет 0,45 мм, поэтому электрическая прочность изоляции обеспечена.

6. 4. Определение номинальных значений диаметров монтажных отверстий

Цель - обеспечение максимальной технологичности печатной платы.

Для определения диаметров монтажных отверстий необходимо иметь данные о размерах выводов ЭРЭ. Если вывод в сечении круглый - берется его диаметр, если нет - то наибольший размер сечения.

, (6.3)

где d_э - диаметр вывода навесного элемента, устанавливаемого на ПП, мм;

r - разность между минимальным значением диаметра отвер-стия и максимальным значением диаметра вывода устанав-ливаемого элемента, мм;

- нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия, мм.

В соответствии с классом точности 1 = 0,1 мм; r = 0,1 мм.

Таблица 6

Диаметры выводов элементов

Наименование элемента	Диаметр вывода	Наименование элемента	Диаметр вывода
К10-17	0,5	С2-23	0,5
К50-35	0,5	ДПМ-0,1	0,7
DIP28, DIP8	0,5	1N5817	0,5
ОНП-ВС-39	0,5	РК188	0,5

В соответствии с ГОСТ 10317-79 выбираем диаметр монтажных отверстий 0,7 мм.

6.5. Определение номинального значения ширины проводника

Цель - обеспечение электрической прочности печатных проводников. Чтобы предотвратить сгорание печатных проводников и последующий выход из строя модуля, нужно обеспечить для них минимально допустимую ширину.

Номинальное значение ширины проводника (t) определяется током, протекающем по нему (J_н), и удельной плотностью тока в материале проводников. Рассчитывается по формуле

(6.4)

где t_мд - минимально допустимая ширина проводника, мм;

J_н - ток нагрузки, А;

h - толщина проводника, мм (0,035 или 0,05);

- удельная плотность тока, А/мм ². Для наклеенной фольги - 20 А/мм ², для гальванически осажденной - 15 А/мм².

J_н = 0,001 А, h = 0,035 мм, = 20 А/мм ².Тогда

.

Для второго класса точности минимальная ширина проводника 0,45 мм, что существенно превышает 0,029 мм, поэтому имеется большой запас электрической прочности печатных проводников.

6.6. Определение сопротивления изоляции параллельных проводников

Чтобы обеспечить нормальную работу электрической схемы, необходима определенная величина сопротивления изоляции на печатной плате.

Сопротивление изоляции параллельных проводников приближенно вычисляется по формуле

, (6.5)

где RS- поверхностное сопротивление изоляции; RV- объемное сопротивление изоляции.

Поверхностное сопротивление изоляции (R_s) определяется по формуле

, (6.6)

где _п - удельное поверхностное сопротивление основания ПП (для стеклотекстолита 510 ¹⁰ Ом);

- расстояние между проводниками, м;

L - длина параллельного пробега проводников, м.

Для имеющейся трассировки = 2,5 мм, наибольшая длина L = 67,2 мм. Получается

Поскольку печатная плата двусторонняя, то объемное сопротивление изоляции тоже учитывается.

, (6.7)

где _V - удельное объемное сопротивление диэлектрика основания ПП (для стеклотекстолита 510 ⁹ Ом•м);

F - минимальная площадь проекции печатных проводников друг на друга, м ²;

h - толщина зазора между проводниками, м.

, Тогда Ом.

Для нормальной работы ПП сопротивление изоляции между разобщен-ными цепями в условиях наивысшей влажности должно подчиняться нера-венству R_и 10 ³ R_вх, где R_вх - входное сопротивление коммути-руемых цепей. Условие выполняется, значит, нормальная работа схемы обеспечена.

6.7. Расчет паразитного влияния проводников

Расчет выполняется для цепей «питания» и «земли» с целью определения возможного негативного влияния паразитного омического сопротивления проводников на работу схемы. Практически сечение проводника рассчитывают по допустимому падению напряжения U_п на проводнике:

(6.8)

где - удельное сопротивление проводника,

(медная фольга 1,7210 ^-8, гальваническая медь - 1,910 ^-8);

l_п, h_ф, t - максимальная длина проводника, его толщина и ширина соответственно, м;

J_н - ток, протекающий по проводнику, А.

Полученное значение напряжения говорит о минимальном паразитном влиянии омического сопротивления проводников на работу схемы.

В ходе расчёта топологических характеристик печатной платы были определены её класс точности, основные параметры проводников и контактных площадок, а также оценена работоспособность платы.

Для электронных логических схем допустимое падение напряжения в цепях «питание» и «земля» не должно превышать 1-2% от номинального значения подводимого напряжения Е_п, поэтому требуемое сечение печатного проводника шин «питание» и «земля» должно удовлетворять неравенству:

(6.9)

мм ²

Данное неравенство удовлетворяется, значит устойчивость работы схемы обеспечена.

В ходе расчёта топологических характеристик печатной платы были определены её класс точности, основные параметры проводников и контактных площадок, а также оценена работоспособность платы.

7. Расчёт вибропрочности радиоэлектронного модуля

Цель - необходимость определения устойчивости модуля к перегрузкам при воздействии вибрации. Наиболее часто устойчивость модуля к механическим воздействиям оценивают на основе анализа собственной резонансной частоты колебаний модуля.

Частоту собственных колебаний равномерно нагруженной ПП определяют по формуле

, (7.1)

где a и b - длина и ширина печатной платы; D - цилиндрическая жесткость ПП:

, (7.2)

где Е - модуль упругости; h - толщина ПП; - коэффициент Пуассона; М - масса платы с элементами; K - коэффициент, зависящий от спо-соба закрепления сторон платы, определяемый по формуле

. (7.3)

В проектируемом модуле печатная плата закреплена в четырех точках.

Для неё

. (7.4)

Для данной печатной платы a=0,060 м, b=0,055 м, M=0,055 кг, для стеклотекстолита

Е=30,2•10 ⁹ Па, h=0,0015 м, =0,2.

В итоге резонансная частота получается равной f₀ = 696,25 ~ 696 Гц.

В случае, когда f₀>2f_вв (верхняя воздействующая частота), можно считать, что вибропрочность обеспечена. В противном случае необходимо принять меры по повышению жёсткости ПП (например, путем введения дополнительных точек крепления или рёбер жёсткости).

По техническому заданию f_вв = 60 Гц.

Так как 696 Гц > 120 Гц, проектируемый модуль удовлетворяет его требованиям.

Таким образом, на основе анализа собственной резонансной частоты колебаний печатного узла было установлено, что модуль устойчив к предполагаемым механическим воздействиям.

Заключение

В курсовой работе проведен анализ принципиальной схемы, обоснование выбора элементной базы, выполнен ориентировочный и уточненный расчеты надежности модуля, проведен аналитический расчет печатной платы и расчет топологических характеристик платы и расчет вибропрочности печатного узла. Также были выполнены чертеж схемы электрической принципиальной, чертеж двусторонней печатной платы и сборочный чертеж.

Габаритные размеры печатного узла:

- длина: 60 мм;

- ширина: 55 мм;

- высота: 15 мм.

Масса: 55 г.

Материал печатной платы: СФ2 -35 -1,5 23751 - 79.

Надежность:

- по результату уточненного расчета: 34104 ч.

В итоге получен модуль, который отвечает всем требованиям технического задания по показателям надёжности, массогабаритным показателям, устойчивости к воздействиям в заданных условиях эксплуатации, механическим нагрузкам.

Список литературы

1. Бородин С. М. Схема-деталь-модуль: Учебное пособие / С. М. Бородин. - Ульяновск: УлГТУ, 2004. - 64 с.

2. Бородин С. М. Основы классификации РЭА: Учебное пособие / С. М. Бородин. - Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 48 с.

3. Разработка конструкторской документации РЭА: Справочник / Под ред. Романычевой Э. Т. - М.: Радио и связь, 1989. - 448 с.

4. Справочник по интегральным схемам / Под ред. Б. В. Трабарина. - 2-е изд., перераб. идоп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 816 с.

5. ГОСТ 23751 - 86. Платы печатные. Требования и методы конструи-рования. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

6. Галкин В. И. Полупроводниковые приборы: Справочник / В. И. Галкин, А. Л. Булычёв, П. М. Лямин. - Мн.: Беларусь, 1994 - 347 с.

7. Брежнева К. М. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. - М.: Радио и связь,1981. - 656 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...