Плата симисторного регулятора мощности паяльника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Плата симисторного регулятора мощности паяльника

Введение

Регулятор -- устройство, которое следит за работой объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления (непосредственно, либо с помощью наблюдателей) и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления. Бывают следующие регуляторы: робастный регулятор, вакуумный регулятор, ПИД-регулятор, центробежный регулятор, регулятор (дайвинг), регулятор (теория управления), регулятор напряжения, регулятор мощности, логарифмический регулятор громкости, регулятор (регуляторный орган, регуляторы Мощности. Тематикой моего курсового является симисторный регулятор мощности.

В каждом доме имеются бытовые электроприборы с питанием от электрической сети переменного тока. Расширить возможности и удобство использования многих из этих устройств можно за счет регулирования потребляемой ими мощности.

Одним из наиболее распространенных принципов регулировании мощности в сетях переменного тока является фазовый. При фазовом способе регулирования используется зависимость между моментом (фазой) открытия регулирующего элемента относительно начала полупериода питающего напряжения и потребляемой устройством мощностью.

Для регулирования мощности используется ключевой элемент, в качестве которого наиболее удобно использовать симистор или тиристор. Изменяя задержку (фазу) времени открытия симистора относительно начала полуволны сетевого питающего напряжения можно регулировать потребляемую нагрузкой мощность практически от 0~до 100%

Рисунок 1 Эквивалентная схема симистора

Симиcтop -- полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление.

Рисунок 2 Тиристорный регулятор мощности осветительной лампы

Тиристорный регулятор мощности -- электронная схема позволяющая изменять подводимую к нагрузке мощность путём задержки включения тиристора на полупериоде переменного тока.

Принцип работы: ключевым компонентом данной схемы является тиристор, открывающийся при появлении сигнала на управляющем электроде. Чем больше задержка включения, тем меньшая мощность поступает в нагрузку. Транзисторы VT1 и VT2 работают в ключевом режиме. Как только напряжение на конденсаторе C1 будет равно напряжению в точке между резисторами R3 и R4, то транзисторы открываются и подают сигнал на управляющий электрод тиристора VS1, при этом конденсатор разряжается, тиристор открывается до следующего полупериода.

симисторный регулятор плата

1. Постановка задачи

Необходимо разработать конструкции платы симисторного регулятора мощности паяльника

Целью данной разработки является подавление помех без использования сетевого фильтра.

Требования к электрическим параметрам:

Напряжения питания -220 В

Условия эксплуатации:

- Температура окружающей среды - от 25 С до +45 С

- Влажность воздуха -100% при температуре 25 С

- Атмосферное давление - 740-760 мм. рт.

2. Описание принципиальной схемы

2.1 Элементная база

Микросхема интегральная К561ЛА7

Рисунок 3 Микросхема К561ЛА7

Таблица 1 Таблица назначения выводов

Обозначение вывода	Назначение вывода
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14	Вход А1 Вход В1 Выход Q1 Выход Q2 Вход А2 Вход В2 Общий GND Вход А3 Вход В3 Выход Q3 Выход Q4 Вход А4 Вход В4 Питание Ucc



Таблица 2 Основные электрические параметры

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ при температуре (25 ± 10)є С
Наименованиепараметра, единица измерения, режим измерения	Буквенное обозначение	Норма
		Не менее	Не более
Максимальное выходное напряжение низкого уровня, В, при: Uсс = 10 В; UIH = 7,0 В; UIL = 3,0 В	UOL max		2,9
Минимальное выходное напряжение высокого уровня, В, при: Uсс = 10 В; UIH = 7,0 В; UIL = 3,0 В	UOH min	7,2
Входной ток низкого уровня и высокого уровня, мкА, при: Uсс = 18 В; UIH = 18 В; UIL = 0	IIL, IIH		0,3
Выходной ток низкого уровня, мА, при: Uсс = 10 В; UIH = 10 В; UIL = 0; UO=0,5 В	IOL	1,3
Выходной ток высокого уровня, мА, при: Uсс = 10 В; UIH = 10 В; UIL = 0; UO=9,5 В	IOH	1,3
Время задержки распространения сигнала при включении и выключении,нс, при: Uсс = 10 В; UIH = 10 В; UIL =0; CL=50 пФ	tPLH tPHL		80
Содержание драгоценных металлов в 1000 шт. микросхем: - золото Цветных металлов не содержится.

Рисунок 4 Резистор C2-33н

Резистор постоянный непроволочный тонкоплёночный С2-33 для эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды.

Постоянные непроволочные общего применения неизолированные резисторы С2-33 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока при повышенной температуре окружающей среды.

Резисторы С2-33 удовлетворяют требованиям ГОСТ 24238 и изготавливаются в соответствии с техническими условиямиОЖО.467.093 ТУ (приёмка "5").

Основные размеры резисторов С2-33

Таблица 3 Характеристики резистора C2-33н

Номинальная мощность рассеяния, Вт	Габаритные размеры, мм не более:	Масса, не более, г
	L	D	l	d
0,125	6,0	2,2	18	0,6	0,15
0,25	7,0	3,0			0,25
0,5	10,2	4,2	25	0,8	1,0

Основные технические данные резисторов С2-33:

Гарантированная стабильность резисторов С2-33 в течение минимальной наработки 25000 ч при номинальной нагрузке (не более): ±5 - ±10%

Диапазон сопротивлений резисторов С2-33 (по ряду Е-96 и Е-24)

Таблица 4 Диапазон сопротивлений

Тип резистора	Номинальная мощность рассеяния, Вт	Пределы номинальных значений сопротивлений	Предельное рабочее напряжение постоянного тока, Рср.=Рном., В
С2-33-0,125	0,125	1 Ом -- 3,01 МОм	200
С2-33-0,25	0,25	1 Ом -- 5,11 МОм	250
С2-33-0,5	0,5	0,1 Ом -- 5,11 МОм	350

Допускаемое отклонение от номинального сопротивления ± (1ё10,0) %

- Температурный коэффициент сопротивления, ppm/єС ±100; ±250; ±500; ±1000

- Диапазон рабочих температур от -60 до +200 °С

Транзистор КТ315Б

Рисунок 5 Транзистор КТ315Б

Тип кремниевого биполярного транзистора, n-p-n-проводимости, получившего самое широкое распространение в советской радиоэлектронной аппаратуре.

Транзисторы КТ315 предназначались для работы в схемах усилителей высокой, промежуточной и звуковой частот. КТ315 является комплиментарной парой транзистора КТ361

Максимальное напряжение коллектор-база при заданном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера(Uкбо макс),В: 20

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс),В: -

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и разомкнутой цепи базы(Uкэо макс),В: -

Максимально допустимый ток коллектора ( Iк макс,А): 0.05

Статический коэффициент передачи тока h21э мин: 50

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр,МГц: 250.00

Максимальная рассеиваемая мощность коллектора (Рк,Вт): 0.15

Таблица 5 Характеристики транзистора КТ315

	КТ315Б
Ток коллектора макс. (Ikmax), mA	100
Напряжение коллектор-эмиттер макс.(Ukemax), В	20
Напряжение эмиттер-база макс. (Uebmax), В	6
Мощность коллектора макс. (Pkmax), мВ	150
Температура макс. (Tmax), С	120
Коэффициент усиления (h21)	50-350
Граничная частота (fuh), Мгц	250
Напряжение насыщения (Uкэнас), В	0,4
Емкость коллектора (Ск), пФ	7

Транзистор КТ361Б

Рисунок 6 Транзистор КТ361Б



Наименование производителя: KT361B

Тип материала: Si

Полярность: PNP

Максимальная рассеиваемая мощность (Pc): 0.15

Макcимально допустимое напряжение коллектор-база (Ucb): 20

Макcимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uce): 20

Макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (Ueb): 4

Макcимальный постоянный ток коллектора (Ic): 0.05

Предельная температура PN-перехода (Tj), град: 120

Граничная частота коэффициента передачи тока (ft): 250

Ёмкость коллекторного перехода (Cc), пФ: 9

Статический коэффициент передачи тока (hfe): 50

Таблица 6 Характеристики КТ361Б

Прибор	Предельные параметры
			при T = 25°C
	IК, maxмА	IК и. maxмА	UКЭR max(UКЭ0 max), В	UКБ0 max, В	UЭБ0 max, В	PК max, (Pmax), мВт	T, °C	Tп max, °C	Tmax, °C
КТ361Б	50		40	40	4	150	35	120	100

Рисунок 7 Конденсатор К50-35

Конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые К50-35 предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. К50-35:К - конденсатор постоянной емкости;50 - оксидно-электролитический алюминиевый;

35 - порядковый номер разработки.

Интервал рабочих температур от -40 до 85°С. Вибрации с частотой 10-500 Гц при ускорении 10 g. Механические удары одиночного действия с ускорением 150 g, многократного действия с ускорением 40 g. Конденсаторы выпускаются двух видов климатического исполнения: УХЛ и В. Изготовляются неизолированными и изолированными. Конденсаторы соответствуют ОЖО.464.214 ТУ. ОЖО.464.214 ТУ

Номинальное напряжение, В - 6,3-160 Номинальная емкость, мкФ - 1-100 Допустимое отклонение емкости, % - _-⁺ Ток утечки, мкА, не более: для 6,3-100 В - 0,02С U_н+3 для 160 В - 0,03С U_н+20 Наработка, ч: при t = -45 до 85°С и 0,75 U_н - 1000 при t = -45 до 70°С и U_н - 5000 при t = -45 до 55°С и U_н - 10000 при t = -45 до 55°С и 0,8 U_н - 15000

Конденсаторы выпускаются в алюминиевых цилиндрических корпусах с двумя однонаправленными выводами. На корпусе конденсатора нанесены технические данные. Габаритные, установочные и присоединительные размеры приведены на рисунке и в таблице.

Рисунок 8 Конденсатор К50-17Б

Конденсатор К10-17б керамический монолитный для работы в цепях постоянного и переменного тока и в импульсных режимах.

Конденсатор К10-17б изолированный, с однонаправленными выводами, допускает работу в условиях повышенной влажности без дополнительной защиты. Всеклиматическое исполнение (В). Конденсатор К10-17б изготавливается в водородоустойчивом (С) и неводородоустойчивом исполнении.

Таблица 7- Характеристики К50 -35

Номинальная емкость	2,2 пФ - 2,2 мкФ
МП0	50; 100 В
П33, М47, М750, М1500, Н20,	50 В
Интервал рабочих температур:
М47, М1500, Н20, Н50	-60 ... +125 0С
Н90	-60 ... +85 0С

Резистор СП-4 1А

Рисунок 9 Резистор СП-4 1А

Резисторы переменные непроволочные регулировочные и подстроечные одноэлементные однооборотные без выключателя с круговым перемещением подвижной системы СП4-1 предназначены для работы в цепях постоянного и переменного токов в непрерывных и в импульсных режимах.

Резисторы СП4-1 изготавливаются в соответствии с техническими условиями ОЖО.468.365 ТУ (приёмка “ОТК”) и ОЖО.468.045 ТУ (приёмка “5”). Вид климатического исполнения В и УХЛ. Резисторы СП4-1 изготавливают трех типов:

СП4-1А -- регулировочный; СП4-1Б -- подстроечный со стопорением вала;

СП4-1В -- подстроечный без стопорения вала.Основные технические характеристики:

Синусоидальная вибрация:

Диапазон частот, Гц: 1-2500

Амплитуда ускорения,мс2 (д): 200 (20)

Акустический шум:

Диапазон частот,Гц: 5-10000

Уровень звукового давления (относительно 2-105 Па), Дб: 160

Механический удар:

Одиночного действия:

Пиковое ударное ускорение,мс2(д): 10000 (1000)

Длительность действия,мс2: 0,2-2

Многократного действия:

Пиковое ударное ускорение, мс2(д): 1500 (150)

Длительность действия, мс2: 1-5

Линейное ускорение, мс2: 1000 (100)

Атмосферное пониженное давление, Па (мм рт.ст): 0,00013(10-6)

Атмосферное повышенное рабочее давление, кПа (ата): 294 (3)

Рабочая температура среды: -60..+98 °С

Предельная температура среды: 125 °С

Таблица 8 Номинальное сопротивление резистора СП4-1А

Вид резистора	Пределы номинального сопротивления, Ом	Допускаемое отклонение от номинального сопротивления, %	Номинальная мощность рассеяния, Ом	Предельное раб. напряжение, В	Длина вала
СП4-1А	100-4,7х106	±20-для резисторов с Rном<220 кОм	0.5	250	ВС2-12, ВС2-16, ВС2-20 ВС2-25



Диод КД5

Диоды кремниевые, эпитаксиально-планарные, импульсные. Предназначены для применения в импульсных устройствах. Выпускаются в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Для обозначения типа и полярности диодов используется условная маркировка:- одна широкая и две узкие цветные полоски на корпусе со стороны положительного (анодного!) вывода. Масса диода не более 0,15 г.

Рисунок 10 Диод КД521А

Основные технические характеристики диода КД521А:

а) Uoбp max - Максимальное постоянное обратное напряжение: 75 В;

б) Inp max - Максимальный прямой ток: 50 мА;

в) Unp - Постоянное прямое напряжение: не более 1 В при Inp 50 мА;

г) Ioбp - Постоянный обратный ток: не более 1 мкА при Uoбp 75 В;

д) tвoc обр - Время обратного восстановления: 0,004 мкс;

е) Сд - Общая емкость: 4 пФ

Диод КД105Г

Рисунок 11 Диод КД105Г

Тип полупроводникового прибора: Выпрямительный диод малой мощности

Симистор КУ208Г

Рисунок 12 Симистор КУ208Г

Симистор кремниевые, планарные, структуры p-n-p-n, триодные, незапираемые, симметричные. Предназначены для работы в качестве симметричных переключающих элементов средней мощности для устройств автоматического регулирования и коммутации цепей силовой автоматики. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жесткими выводами. Тип симистора приводится на корпусе.



2.2 Принцип действия

Регулятор мощности переменного тока, принцип работы которого основан на изменении целого числа полупериодов сетевого напряжения, подаваемого в нагрузку, в единицу времени. Включение и выключение нагрузки происходят вблизи моментов перехода сетевого напряжения через нуль, что практически исключает коммутационные помехи, присущие регуляторам с фазоимпульсным управлением.

Частота коммутации сравнительно невелика, поэтому регулятор следует использовать только с теплоинерционными нагрузками (например, с паяльниками, маломощными нагревателями) Для регулировки яркости ламп накаливания, даже мощных, он мало пригоден -- они будут заметно мигать. Так, например, совмещение элементом DD1.4 функций выпрямителя и детектора нуля позволило упростить схему. В качестве стабилитрона использован эмиттерный переход транзистора VT2 [2]. Резистор R1 в входной цепи элемента DD1.1 ограничивает импульсы тока через конденсатор С1, возникающие в момент переключения элемента DD1.3.

Ещё одно отличие заключается в способе управления симистором. В прототипе [1] симистор после перехода сетевого напряжения через нуль открывается серией коротких импульсов частотой несколько килогерц. Такое решение повышает экономичность, но приводит к тому, что в начале полупериода, когда ток через нагрузку ещё недостаточен для удержания симистора открытым, он закрывается с окончанием каждого открывающего импульса и открывается с началом следующего. Эта многократная коммутация нагрузки создаёт помехи в сети. Если нагрузка высокоомная или содержит индуктивную составляющую, эффект усугубляется, поскольку процесс включения симистора занимает большее время. К тому же не все нагрузки допустимо питать напряжением, содержащим составляющие повышенной частоты.

В предлагаемом мной регуляторе симистор VS1 открывается одиночным длинным импульсом в начале полупериода сетевого напряжения. Это исключает упомянутую выше коммутацию тока нагрузки и позволяет упростить устройство. Длительность импульса (около 10 % от периода) выбрана такой, чтобы симистор надёжно открывался даже с нагрузками маломощными или имеющими не слишком большую индуктивную составляющую.

На элементах DD1.1 и DD1.3 собран генератор прямоугольных импульсов, скважность которых можно регулировать переменным резистором R3. Частоту генератора определяют элементы R3, С1, и при номиналах, указанных на схеме, она равна 5 Гц.

Если на выходе элемента DD1.3 присутствует высокий уровень, на базу транзистора VT1 поступают импульсы с частотой, равной удвоенной частоте сетевого напряжения. Их формируют элементы DD1.2 и DD1.4 в те отрезки времени, когда сетевое напряжение близко к нулю (работа формирователя импульсов описана далее). Каждый такой импульс, усиленный по току транзистором VT1, открывает симистор VS1, подключающий нагрузку к сети.

Когда же на выходе элемента DD1.3 устанавливается низкий уровень, элемент DD1.4 запрещает прохождение импульсов на базу транзистора VT1 (в это время на ней присутствует высокий уровень, поэтому транзистор закрыт) и симистор VS1, если был открыт, закрывается в конце текущего полупериода, отключая нагрузку от сети.

Рассмотрим работу формирователя импульсов на протяжении одного периода сетевого напряжения, когда на выходе элемента DD1.3 установился высокий уровень. Когда на верхнем по схеме контакте сетевой вилки X2 плюс напряжения, а на нижнем -- минус и мгновенное значение напряжения сети более 40 В, делитель R2R4R6 формирует на входах элемента DD1.2 высокий уровень. На выходе этого элемента устанавливается низкий уровень, поэтому диод VD3 открыт и на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 -- низкий уровень. Диод VD4 при этом закрыт сетевым напряжением.

Таким образом, элемент DD1.4 формирует на выходе высокий уровень. Напряжение на базе транзистора VT1 близко к напряжению на его эмиттере, поэтому транзистор закрыт и не пропускает ток через управляющий электрод симистора.

Как только мгновенное напряжение сети снизится до 40 В. на входах элемента DD1.2 появится низкий уровень, а на его выходе -- высокий. Диод VD3 закроется, на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 напряжение, увеличиваясь, достигнет единичного уровня, а на выходе появится низкий уровень. Транзистор VT1 откроется, и начнётся формирование импульса запуска симистора.

Такое состояние элементов DD1.2, DD 1.4 сохранится при переходе сетевым напряжением через нуль и дальнейшем повышении примерно до 40 В. но уже в обратной полярности (на верхнем контакте вилки Х2 -- минус). Как только сорокавольтная граница будет пройдена, откроется диод VD4 и на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 установится низкий уровень. На выходе этого элемента снова появится высокий уровень, и транзистор VT1 закроется. Формирование управляющего импульса будет завершено.

Таким образом, ток через управляющий электрод симистора VSI не прерывается при переходе сетевого напряжения через нуль, а значит, отсутствует скачок тока нагрузки в начале полупериода. Границы сетевого напряжения, задающие моменты начала и окончания открывающего импульса, определяются сопротивлением резисторов R5. R6 для отрицательной полуволны (минус на верхнем по схеме контакте сетевой вилки Х2) и R2, R4, R6 для положительной.

Диод VD4 отсекает положительную (относительно вывода 14 микросхемы DD1) полуволну сетевого напряжения. Резистор R7 ограничивает ток через управляющий электрод симистора VS1. Резистор R8 предотвращает возможность открывания симистора при повышенной температуре из-за помех в сети. Резистор R6 и внутренним резистор R1 входной цепи логического элемента DD1.4, фрагмент схемы которого показан на рис. 2, совместно с транзистором VT2 образуют параметрический стабилизатор, питающий микросхему DD1 напряжением около 9 В через однополупериодный выпрямитель на диоде VD4 и внутреннем защитном диоде VD3 (рис. 2). Сопротивление внутреннего резистора R1 (несколько килоом) практически не влияет на режим параметрического стабилизатора. Во время отрицательной полуволны сетевого напряжения эти диоды, включённые последовательно--согласно, пропускают ток к остальным элементам регулятора. Конденсатор С2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Он заряжается во время каждого отрицательного (относительно вывода 14 микросхемы DD1) полупериода и отдаёт накопленный заряд, питая микросхему и цепь управляющего электрода симистора во время импульса.

Переменным резистором R3 можно регулировать соотношение значений длительности высокого и низкого уровней на выходе элемента DD1.3. изменяя таким образом число полупериодов сетевого напряжения, поступающее в нагрузку, а значит, и выделяющуюся в ней мощность. Так как симистор открывается в начале и закрывается в конце полупериода, изменение мощности происходит дискретно.

При частоте сети 50 Гц устройство имеет 20 ступеней регулирования мощности. Каждая очередная ступень изменяет число пропускаемых в нагрузку полупериодов на единицу, что соответствует изменению мощности на 5 % от номинальной нагрузки. Все детали регулятора, кроме симистора VS1 и резистора R3. располагают на односторонней печатной плате (рис. 3) из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Симистор при работе устройства практически не нагревается.

При монтаже регулятора и пользовании им не забывайте, что все его детали и ось переменного резистора R3 находятся под опасным напряжением сети 220 В. Это требует надёжной изоляции токоведущих элементов.

Резистор R3 (серим СП или СПО, с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота оси) размещают на лицевой панели корпуса регулятора. Ось резистора обязательно снабжают изолирующей ручкой. Резисторы (МЛТ), конденсаторы (С1 -- КМ, КД; С2 -- оксидный импортный) и диоды располагают перпендикулярно плате.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет электрических и конструктивных параметров печатной платы

Расчет производить согласно ОСТ 4 0010.022 - 85 «Платы печатные. Метод конструирования и ра:

а) Изучение ТЗ на изделие (печатный узел, электронный модуль), в состав которого входит конструируемая печатная плата;

б) Определить условие эксплуатации и группу жесткости;

в) Выбор типа и класса точности печатной платы, ГПК;

г) Выбор размера и конфигурации;

д) Выбор материала основания;

е) Выбор конструктивного покрытия;

ж) Размещение элементов проводящего рисунка и трассировка печатных проводников;

з) Выбор метода маркировки и ее расположения;

и) Разработка конструкторской документации;

к) Электрический расчет печатной платы.

В зависимости от условий эксплуатации по ГОСТ 23752 - 79 определяю группу жесткости - 1 группа.

Таблица 4.1

Температура окружающей среды, 0С	Верхнее значение 55
	Нижнее значение -25
Относительная влажность воздуха, % при t до 350С	75
Смена температуры, 0С	От -25 до +55
Атмосферное давление, Па (мм. рт. ст.)	Нормальное

Выбор типа печатной платы

При выборе типа печатной платы следует учитывать:

а) возможность выполнения всех коммутационных соединений;

б) технико-экономические показатели;

в) стоимость основных материалов;

Тип печатной платы ОПП - односторонняя печатная плата.

Изготовление печатных плат определенного класса точности обеспечивают, применяя техническое оснащение и вспомогательные материалы в соответствии с классом точности 1:

t, мм = 0,75;

S, мм = 0,75;

В, мм = 0,3;

Y, мм = 0,4,

где t - ширина проводника;

S - расстояние между проводниками;

B - радиальная толщина контактной площадки;

Y - отношение номинального диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы.

Выбор размеров

Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 или нормативно-технической документации, разработанной в его ограничении.

Рекомендуют разрабатывать печатные платы прямоугольной формы, конфигурацию, отличную от прямоугольной следует применять в технически обоснованных случаях.

Размер печатной платы х мм.

Толщину основания печатной платы выбирают в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и от ее конструктивных особенностей.

Выбор толщины печатных плат необходимо указывать с диаметром применяемых металлизированных отверстий так, чтобы отношение диаметра

отверстия к толщине печатной платы было в пределах требования ГОСТ 23751-81.

Выбор материала основания

Материалы для печатных плат выбирают по ГОСТ 10316-78 или по техническим условиям.

Для печатных плат, предназначенных для эксплуатации в условиях 1-й, 2-й групп жесткости по ГОСТ 23752-79, рекомендуется применять материалы на основе бумаги, для 3 и 4-й групп жесткости - на основе стеклоткани.

Из этого выбираю материал печатной платы: фольгированный гетинакс СФ1-50, ОПП, толщина материала с фольгой 2 мм.

Выбор конструктивного покрытия

Для обеспечения стабильности электрических и механических и других параметров печатных плат необходимо применять конструктивные покрытия, как металлические, так и не металлические.

Конструктивные металлические покрытия выбирают по ОСТ 4.ГО.014-000. Вид и толщину покрытия указывают в чертеже.

Не металлические покрытия используют для защиты:

а) печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействии припоя.

б) элементов проводящего рисунка от замыкания навесными радиоэлементами.

Из этого выбираю покрытие: химическое мм ОС (66) 12 опл. По РД5.Р.9246-90. Оловянно-свинцовая.

Размещение навесных элементов

Выбор варианта установки навесных радиоэлементов, их размещение на печатной плате осуществляют в соответствии с ОСТ 4.010.030-81, ОСТ 4.ГО.010.009-84 и ОСТ 4.091.124-79.

При расположении навесных радиоэлементов необходимо предусматривать:

а) рациональное взаимное расположение этих элементов, обеспечивающие наиболее простую трассировку и исключающее взаимное влияние на электрические параметры, обеспечение технологических параметров.

б) обеспечение высокой надежности, малых габаритных размеров и массы, быстродействие, теплоотвод, ремонтопригодность.

Выбор, размещение и расчет элементов конструкции печатной платы

Диаметры монтажных и переходных металлизированных отверстий выбирают с учетом толщины печатной платы по ГОСТ 23751-86.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия d, мм.

Рассчитывают по формуле:

d = d_э + r + |?d_но| (3.1)

где r = 0,1 - 0,4;

резистор С2-33-0,125 d = 0,8 + 0,2 + |-0,05| = 1,05 мм, по ГОСТу 1,1 мм;

конденсатор К10-17Б d = 0,8 + 0,2 + |-0,05| = 1,05 мм, по ГОСТу 1,1 мм;

конденсатор К50-35 d = 0,5 + 0,2 + |-0,05| = 0,8 мм, по ГОСТу 0,9 мм;

транзистор КТ315Б d = 0,8 + 0,2 + |-0,05| = 1,05 мм, по ГОСТу 1,0 мм

транзистор КТ361Б d = 0,95 + 0,2 + |-0,05| = 1,15 мм, по ГОСТу 1,1 мм

резистор СП-4 А d = 0,8 + 0,2 + |-0,05| = 1,05 мм, по ГОСТу 1,1 мм

диод КД521А d = 0,5 + 0,2 + |-0,05| = 0,75 мм, по ГОСТу 0,9 мм

диод КД105Г d = 0,3 + 0,2 + |-0,05| = 0,55 мм, по ГОСТу 0,6 мм

симистор КУ208Г d = 0,7 + 0,2 + |-0,05| = 0,95 мм, по ГОСТу 1.0 мм

микросхема интегральная К561ЛА7 d=0,5 + 0,2 + |-0,05| = 0.75 мм, по ГОСТу 0,8 мм

Диаметр монтажного отверстия выбирают таким, чтобы величина была в пределах 0,1 - 0,4 мм. Выбираю диаметр 0,2 мм.

Переходных отверстий d устанавливают в соответствии с ГОСТ 23751-86.

После расчетов диаметров отверстий их необходимо сравнить со стандартным рядом диаметров отверстий согласно ГОСТ 10317-79:

а) Из ряда стандартных отверстий выбираю 3 диаметра отверстий: d = 0,9 мм, d=1,0 мм, d = 1,1 мм.

б) Рекомендуется на печатной плате применять не более 3 типоразмеров монтажных и переходных отверстий

Выбор, размещение и расчет контактных площадок

Контактные площадки выполняют прямоугольной, круглой или близко к тем формам.

Наименьшее номинальное значение диаметра контактной площадки D мм под выбранное отверстие рассчитывают по формуле:

D = |d + ?d_во| + 2b + ? t_во + 2?d_Тр + (Т_d² + Т_D ² + ? t_но²)^1/2 (3.2)

где, d_во - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

t_во - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

d_тр- значение подтравления диэлектрика в отверстии равно 0,03 мм для МПП, для ОПП и ДПП = 0;

t_но - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

Т_d - позиционный допуск расположения оси отверстия;

Т_D - позиционный допуск расположения центра контактной площадки.

Для значения 1,1

D = |1,1 + 0,10| + 2*0,1 + 0,05 + (0,08² + 0,05² + 0,15²)^1/2 = 1,6мм;

Для значения 1,0

D = |1,0+ 0,05| + 2*0,1 + 0,05 + (0,08² + 0,05² + 0,15²)^1/2 = 1,5 мм;

Для значения 0,9

D = |0,9+ 0,05| + 2*0,1 + 0,05 + (0,08² + 0,05² + 0,15²)^1/2 = 1,4 мм;

Наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка S мм.

S = S_мд + ?t_во (3.3)

где, S_мд - минимальное допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.

t_во - верхнее предельное отклонение ширины.

S = 0,25 + 0,05 = 0,3 мм.

Наименьшая ширина печатного проводника рассчитывается по формуле:

t = t_нд + |?t_но| (3.4)

t = 0,25+ 0,05 = 0,3 мм.

Маркировка печатной платы

Указания о маркировании печатной платы на чертеже производят в соответствии с ГОСТ 2.314-68

Электрические характеристики

R - электрическое сопротивление, t - участок печатного проводника постоянной ширины и толщины 0,55 мм., определяемое для заданных значений температуры по графику R = 8МОм/см.

Нагрузочная способность по току I = 2,0 А.

Расчет надежности

Надежностью называется свойство изделия выполнять функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров заранее установленных пределов. Надежность - это физическое свойство изделия, которое зависит от количества и качества, входящих в него элементов, от условий, в которых оно эксплуатируется и от ряда других причин.

Для полного расчета надежности аппаратуры необходимо иметь данные об условиях ее эксплуатации и знать режимы работы всех элементов, составляющих аппаратуру, а так же иметь зависимость интенсивности их отказов от условий эксплуатации.

Для этого все элементы данного прибора разбивают на группы, подсчитывают число элементов в каждой группе и записывают в таблицу 6.

Таблица 6Описание элементов

Группа	Наименование элементов	Кол-во элементов	Режим раб.	ло*10?6 1 /ч	бt	Лt*10?6 1/ч	N*лt*10?6 1/ч
			°С	Кн
1	Конденсаторы К10-17 К50-35	1 1	25	0,5	1 1	1,1 1,1	1,1 1,1	1,1 1,1
2	Резисторы С2-33 СП 4 1А	7 1			2.0 2,0	1 1	2,0 2,0	14 2
3	Диоды КД521А	4			0,3	1	0,3	1,2
4	Микрокосхема К561ЛА7	1			10	1	10	10
5	Симистор КУ208Г	1			0,3	1	0,3	0,3
6	Транзистор КТ315Б КТ361Б	1 1			0,35 0,4	1 1	0.35 0,4	0,35 0,4
7	Пайки печатные	86			0,1	1	0,01	0,86
8	Пайки объемные	14			0,01	1	0,01	0,14

Интенсивность отказов всей системы л



л = N лt1+N лt2 , (3.5)

где N - интенсивность отказов всей системы;

лt - интенсивность отказов каждого элемента.

л =2,2+14+2+1,2+10+0,3+0,35+0,4+0,86+0,14=32,65*10^-6 1/ч,

Средняя наработка на отказ:

, (3.6)

где л - интенсивность отказов.

Вероятность безотказной работы

, (3.7)

где t_р=1000 часов.

P (t) = e^{-32,65*1000*10} = 0,952 часов

4. Описание автоматизированного процесса конструирования

После импортирования из программы P-CAD получатся файлы с расширением dxf. Для открытия их в КОМПАС необходимо в верхней части экрана в левом верхнем углу в меню файл выбрать опцию открыть. После чего откроется меню проводника, в котором в своей папке необходимо открыть файлы импорта. Чтобы КОМПАС открыл эти файлы в нижней части проводника в меню Тип файлов выбираем все файлы, после чего в окне выбора выбираем наш файл и нажимаем кнопку Открыть.

Рисунок 4.1

После этого откроется окно Чтение файла в формате dxf. Необходимо нажать кнопку Начать чтение. После этого файл будет преобразован в формат frw (формат фрагмента компас) и сохранён в этой же папке с этим же именем.

Рисунок 4.2

Чертёж будет открыт в виде фрагмента компас, чтобы перенести её в файл с гостовской рамкой необходимо растянуть рамку выделения по всему чертежу (если чертёж большой, то его размеры изменяются колесиком мыши), необходимо нажать левую клавишу мыши и потянуть рамку выделения не отпуская клавиши, пока весь чертёж не будет выделен. Теперь необходимо перенести выделенный объект в буфер обмена. Заходим в меню редактор и выбираем копировать.

Для создания чертежа соответствующего формата заходим в меню файл и выбираем функцию создать. Откроется окно новый документ переходим в вкладку Шаблоны и выбираем подходящий формат, нажимаем клавишу ОК.

Рисунок 4.3

Для вставки из буфера обмена скопированного чертежа заходим в меню редактор и выбираем вставить. После чего появится контур чертежа и щелчком левой кнопки мыши размещаем чертёж на формате. Сохраняем полученный формат через меню файл функцию сохранить.

Выше приведенным способом открываем и копируем чертёж обратной стороны платы, но не создаём новый чертёж, а открываем уже созданный с чертежом верхней стороны платы. Заходим в меню Файл выбираем функцию открыть и находим чертёж. Вставка на формат обратной стороны платы производится вышеприведенным способом.

Обратную сторону платы необходимо отразить, это производится выделением чертежа обратной стороны платы (нажать левую клавишу мыши и потянуть рамку выделения не отпуская клавиши, пока весь чертёж не будет выделен), далее необходимо зайти в меню Редактор функцией Симметрия. Щелкаем на чертеже левой клавишей мыши (создаём точку, относительно которой будет отражаться изображение) и поворачиваем появившейся контур. Закрепляем контур на чертеже щелчком левой кнопки мыши.

Вставка таблицы осуществляется инструментом Ввод таблицы или идентичной функцией в меню Инструменты. В открывшемся окне вводим необходимые параметры для создания таблицы.

Рисунок 4.4

Вставка поля для ввода текста осуществляется инструментом Ввод текста или идентичной функцией в меню Инструменты.

Заполнение рамки. Двойным щелчком по рамке в ней появляется курсор для ввода текста.

Сохранение введенного текста осуществляется нажатием на кнопку применить изменения в левом нижнем углу.

Обводим контур платы инструментом прямоугольник ЕШ или заходим в менюИнструменты - Геометрия - Прямоугольники функция прямоугольник.

Рисунок 4.5

Заштриховываем полученный прямоугольник инструментом штриховка или через меню инструменты функцией штриховка. В появившейся внизу окна панели Штриховка выбираем в меню стиль функцию, в поле шаг вводим 1.25, в поле угол выставляем 90 градусов. Для применения изменений нажимаем кнопку применить изменения в левом нижнем углу.

Размеры выставляем инструментами линейный размер или авторазмер. Так же размеры можно выставить аналогичными функциями в меню Инструменты-Размеры.

Шероховатость выставляется инструментом шероховатость или идентичной функцией в меню Инструменты-Обозначения.

5. Технологический процесс сборки и монтажа платы

Состоит из следующих операций:

005 Расконсервация;

010 Входной контроль;

015 Комплектовочная;

020 Формовочная;

025 Лужение;

030 Установка ЭРЭ на плату;

040 Пайка;

045 Сборочная;

050 Доработка;

055 Промывочная;

060 Маркировочная;

065 Регулировачная

070 Контроль ОТК.

Операция «расконсервация» предназначена для снятия консервирующего покрытия, в роли которого выступает флюс.

Способы снятия флюса:

- С помощью кисти или тампона, смоченных растворителем;

- Окунанием в ванну с растворителем с последующей протиркой;

- В ванне с барбатирующим раствором;

- В ванне ультразвуковой очистки.

Для данного технологического процесса выбираем метод погружения платы в ванну с растворителем, этот метод не требует значительных затрат.

Операция «входной контроль» - это техпроцесс проверки поступающих на завод-потребитель ЭРЭ, ИС и печатных плат по параметрам, определяющим их работоспособность и надежность, перед включением этих элементов в производство.

Способы проверки:

- Визуальный;

- По электрическим параметрам.

Для данного технологического процесса выбираем визуальную проверку.

В «комплектовочной» операции выполняется набор элементов, основных и вспомогательных материалов, необходимых для производства одного изделия, тем самым повышается производительность труда в последующих операциях, исключается перерасход материалов и комплектующих, а также производится дополнительный контроль.

Операция «формовочная» предназначена для придания выводам ЭРЭ формы, необходимой для сборки и контактирования.

Способы формовки:

- Вручную;

- С помощью специальных инструментов (круглогубцев, утконосов);

- С помощью приспособлений, разнообразных устройств, которые формуют как упакованные в ленту, так и неупакованные в ленту компоненты.

Для данного технологического процесса выбираем формовку на приспособлении.

По окончании формовки и рихтовки выводов необходимо проверить качество выполненной операции.

Операция «лужение» применяется для подготовки выводов ЭРЭ к пайке, позолоченные и посеребренные выводы не лудятся.

Способы лужения:

- Вручную, погружая каждый вывод в ванну с флюсом;

- Механизированный способ (погружение в припой, волну припоя);

- Электропаяльником.

Для данного технологического процесса выбираем способ лужения электропаяльником.

Операция «установка ЭРЭ на плату» применяется для установки

элементов на плату и их фиксации.

Способы фиксации:

- Подгибка вывода;

- Пайка;

- С помощью специального приспособления (прижимного);

- Приклеивание;

- С помощью механической детали (скобы).

Для чипов применяют приклеивание с помощью специальной пасты.

Состав паяльной пасты: шарики припоя, флюс, растворитель, отвердитель.

Резисторы С2-33 установить по варианту IIa, конденсаторы К10-17Б по варианту IIв.

Способы сборки:

a) Ручная;

Достоинства: ассортимент печатных плат и компонентов не ограничен.

Недостатки: низкая производительность, большое количество ошибок.

Способы устранения: применение кассетных, маркирование плат сборочный стол.

b) Автоматизированная: элементы устанавливаются автоматически;

Способы: поочерёдно, поочерёдно-одновременно, одновременная до 300000 компонентов в час.

Для данного технологического процесса выбираем сборку вручную, так как плата не проектировалась для автоматизированной сборки.

c) Автоматизированная установка чипов.

Нанесение пасты:

а) с помощью трафарета;

б) с помощью дозатора (ручные и автоматические).

Операция «пайка» - это выполнение электрических соединений. Существуют разнообразные методы групповой пайки.

Инфракрасная пайка (1983 г.)

В качестве источника тепла используется два вида инфракрасных нагревателей: инфракрасные лампы(теплопередача излучением), панельные излучатели (внутри лампы, корпус из пористой керамики) - излучение и нагрев среды производятся от корпуса лампы. Установки ИК-пайки состоят из зоны предварительного нагрева, зоны пайки и зоны охлаждения.

Недостатки: количество поглощенного тепла зависит от черноты поверхности ( защита темных поверхностей отражающими экранами.)

Лампы ИК излучения нагреваются до 700-800⁰ С, а температура пайки 210-215⁰ С; панели греются до 280-520⁰ С.

Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (1975 г.)

Расплавление припоя (пасты) производится парами специальной жидкости, которые, конденсируясь на месте пайки, отдают свое тепло.

Существует два вида:

а) с использованием одной технологической среды;

Недостаток: Большие потери дорогого фторуглерода (специальной жидкости).

б) с использованием двух технологических сред.

Преимущества: предотвращает перерасход фторуглерода.

Лазерная пайка - обработка каждого соединения происходит лучом лазера.

Преимущества: высокая производительность, бесконтактность, возможность регулирования температуры пайки за счет изменения мощности луча, «точечное» тепловое воздействие.

Недостаток: дорогая установка.

Пайка волной - плата проходит над гребнем волны припоя.

Преимущества: высокая производительность, пониженное тепловое воздействие, чистая поверхность припоя, свободная от окислов и загрязнений, постоянство температуры на гребне волны.

Применяют пайку с двумя волнами припоя: первая волна турбулентная (высокая скорость истечение припоя) непосредственно производит пайку, вторая волна ламинарная плоская с меньшей скоростью истечения, убирает сосульки и перемычки.

Недостатки: применяется не для всех ПМК, попадание некоторых мест паек в зоны «затенения».

Для данного технологического процесса выбираем групповую пайку волной так как все элементы установлены с одной стороны платы, все со штырьковыми выводами, закреплены на плате подгибкой выводов.

В операции «доработка» производят контроль паяных соединений, в ходе которого выявляют соединения, которые по каким-либо причинам плохо припаялись при групповой пайке.

Операция «промывочная» это очистка смонтированных печатных плат от флюса и продуктов его разложения спирто-бензиновой смесью, так как они способны вызывать коррозию контактных соединений и ухудшать электрические характеристики используемых материалов. Обычно применяют отмывку в различных средах.

Для данного технологического процесса выбираем промывку в ванне со спирто-бензиновой смесью с помощью кисти, так как этот метод экономически выгоден.

В ходе операции «маркировка» на плату наносятся позиционные обозначения ЭРЭ и номера выводов для внешних подключений согласно чертежу.

Маркировочные надписи выполняются специальной маркировочной краской черного цвета - МКЭЧ ОМ по ОСТ4.ГО.054.205, которая стойка к отмывочным жидкостям.

Операция «контроль ОТК» это внешний осмотр платы и проверка правильности установки ЭРЭ и их номиналы на соответствие чертежу; проверка качества формовки выводов ЭРЭ: их длины, формы изгиба, отсутствие надломов. На корпусах ЭРЭ и ИМС должны отсутствовать царапины, сколы, трещины, повреждения маркировок. Пайка должна быть скелетной, блестящей, без пор, трещин, вздутий, наплывов.

Способы контроля РЭА:

- Визуальный;

- Геометрический;

- Механический.

Для данного технологического процесса выбираем механический способ контроля ОТК, так как он наиболее надежен.

Заключение

В соответствии с техническим заданием была разработана конструкция платы измерителя длительности импульсов.

В пояснительной записке производились следующие расчеты. Расчет надежности, где, средняя, наработка на отказ Тср=27894, вероятность безотказной работы Р(t) = 0,965 < 1, что говорит о хорошей надежности прибора. Также производился расчет печатной платы.

Разработан технологический процесс с высокой степенью механизации и автоматизации. Благодаря их наличию при изготовлении печатной платы значительно повышается технологичность изделия и производительность труда. В технологическом процессе применяются современные высокопроизводительные методы и оборудования, и осуществляется оптимизация проектирования технологического процесса. Изделие является технологичным, надежным, простым и удобным в эксплуатации.

Напряжение питания 12 В.

Список используемой литературы

1. Достанко А.П., Пикуль М.И. Хмыль А.А. Технология производства ЭВМ. Мн.: Высшая школа, 2014.

2. Ланин В.Л., Емельянов В.А., Хмыль А.А. Проектирование и оптимизация технологических процессов производства электронной аппаратуры. Мн.:БГУИР, 2008.

3. Ланин В.Л. Технология сборки, монтажа и контроля в производстве электронной аппаратуры. Мн.: БГУИР, 2007.

4. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCad 11. - СПб.: БХВ - Петербург, 2003.

5. Шушкевич Г.Ч., Шушкевич С.В. Введение в MathCad 2000 : Учебное пособие. - Гродно: ГрГУ, 2011. - 140 с.

6. А.Н Тиханов, А.А Самарский. Уравнения математической физики.

7. М. Херхагер, Х. Партолль MathCad : полное руководство. Пер. с нем. - К. : Издательская группа BHV, 2010, - 416 с.

8. Очков В.Ф. Mathcad 7 PRO для студентов и инженеров. - М.: “Компьютер Пресс”, 1998 г. - 384 с.

9. Бородич Л.И., Герасимович А.И., Кеда Н.П., Мелешко И.Н. Справочное пособие по приближенным методам решения задач высшей математики. - Мн.: Высшая школа, 2010. - 189 с.

10. Макаров Е. Г. Инженерные расчеты в MathCad Учебный курс. - СПб.: Питер. 2011. - 448 с.

Размещено на Allbest.ru

...