Конструкторско-технологической расчет модуля ЭА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Конструкторско-технологической расчет модуля ЭА

Каждый студент получает индивидуальное задание на лабораторную работу. Основой работы является схема электрическая принципиальная.

Аналитический расчет площади печатной платы.

Цель аналитического расчета 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 (Sпл) будет определяться как сумма площадей указанных зон;

Sпл = S1 + S2 + S3 + S4 + S5 (1)

После определения Sпл следует выбрать геометрические размеры платы, руководствуясь требованиями технического задания и/или предпочтительным рядом размеров плат.

Определение площади S1. Зона размещения электрорадиоэлементов является основной и определяется по формуле:

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

Для облегчения работы над лабораторной работой целесообразно заполнить таблицу с основными данными для используемых ЭРЭ. Установочные размеры определяются на основании анализа габаритных размеров элемента, варианта его установки и шага координатной сетки печатной платы. Определение площади S2. 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.

Исходными данными являются:

1) количество внешних цепей;

2) ток, протекающий по цепи, определяет диаметр отверстия для установки монтажного провода;

3) максимальные значения напряжений в цепях определяют расстояния между отверстиями.

Определение площади S3. Площадь зоны размещения элементов управления, индикации и контроля определяется в зависимости от установочных размеров соответствующих элементов. Однако такие элементы могут отсутствовать, что обусловлено конструкцией блока. 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 учетом расстояния до выводов ЭРЭ (1.. .2 мм) будет определяться как:

S4= N*(B+2)2 (4)

где N - количество фиксирующих винтов; В - диаметр шайбы, мм.

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 проектируемого функционального узла в реальных условиях эксплуатации.

Выбор и обоснование типа печатной платы.

Прежде чем провести выбор типа ПП, необходимо окончательно определить ее габаритные размеры. Исходными данными для этого являются результаты аналитического расчета. Выбор должен производиться в соответствии с рекомендациями ГОСТ 10317-79 при максимальном соотношении сторон 3:1. Целесообразно разрабатывать ПП простой прямоугольной формы. Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными 2,5 при длине 100 мм, 5 при длине до 350 мм, 20 при длине более 350 мм. Максимальный размер любой из сторон печатной платы не должен превышать 470 мм. Конфигурацию, отличную от прямоугольной, следует применять только в технически обоснованных случаях. Типоразмеры ПП могут быть скорректированы типовыми несущими конструкциями высших структурных уровней (блок, аппарата, стойки).

Выбор типа плат (одно-, двусторонняя, многослойная и т.д.) зависит от требований к быстродействию конструируемого РЭС, серийности, сроков проектирования и изготовления. Многослойные ПП, сохраняя свойства обычных ПП, имеют более высокую плотность монтажа. При выборе числа слоев МПП необходимо руководствоваться соображениями помехозащищенности сигнальных линий, технологии изготовления платы и рекомендациями руководящих технических материалов, нормалей, справочников и т.д. Толщина ПП определятся толщиной исходного материала, и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних ПП являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Допуск на толщину ПП устанавливают по соответствующим стандартам или ТУ на исходный материал (ГОСТ 23751-86). В бытовых РЭС обычно применяют одно- или двусторонний фольгированный гетинакс (ГФ). Для профессиональных РЭС рекомендуется использовать для жестких плат фольгированный стеклотекстолит (СФ) различных марок, а для гибких ПП специальные фольгированные тонкие диэлектрики и полиамидные пленки.

Выбор вида внешнего соединения печатных плат. На выбор вида внешнего соединения (разъемного или неразъемного) влияет ряд факторов:

выбранный предварительный вариант компоновки (масса, габариты);

ремонтопригодность (принятая система ремонта и замены);

надежность внешних цепей.

Разъемные соединения обладают следующими особенностями:

масса и габариты соединения увеличиваются;

падает надежность соединений;

уменьшается трудоемкость изготовления межъячеечной коммутации.

Конструктивные покрытия. Стабильность электрических, механических и других параметров ПП может быть обеспечена применением металлических и неметаллических конструктивных покрытий. Конструктивные покрытия выбирают по ОСТ 4.ГО.024.000. Вид и толщину покрытия указывают в чертеже. Таким образом, на данном этапе принимается окончательное решение о габаритных размерах, материале, количестве слоев, классе точности, внешнем соединении и конструктивном покрытии ПП.

Компоновочные работы на печатной плате.

Процесс компоновки РЭС с печатным монтажом искусственно расчленяется на две подзадачи - оптимального размещения элементов и оптимальной трассировки. Задачей компоновки является разработка такого варианта расположения ЭРЭ на плате и такого рисунка печатных соединений, при котором устройство обеспечивало бы своему функциональному назначению и имело бы заданные параметры и характеристики. При этом рекомендуются следующие ограничения.

При размещении:

а) обеспечение минимума теплового градиента (расположение теплонагруженных ЭРЭ по периметру);

б) повышение надежности ячеек (размещение более надежных элементов в местах наибольшей амплитуды виброускорений (в центре платы);

в) повышение жесткости ПП (установка более тяжелых элементов ближе к точкам крепления);

г) введение экранов и выделение для них места.

При оптимальной трассировке:

а) длина отдельных проводников;

б) обеспечение минимума паразитных связей,

в) учет эффекта длинных линий (формирование полосковых линий и их согласование);

г) определение рабочей площади ПП для трассировки.

При установке элементов на ПП рекомендуется учесть следующие правила установки элементов:

а) для обеспечения возможности групповой пайки все ЭРЭ устанавливаются только с одной стороны платы;

б) в каждом отверстии можно размещать лишь один вывод элемента;

в) центры монтажных и переходных отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки;

г) должно соблюдаться определенное расстояние от корпуса элемента до места пайки, регламентируемое ГОСТами или ТУ на данный элемент;

д) расстояние между корпусами соседних ЭРЭ выбирают из условия лучшего теплоотвода и допустимой разности потенциалов (относительно выводов);

е) конструктивные детали механического крепления (скобы, держатели, хомуты и др.) выбираются из числа рекомендованных или конструируются вновь с учетом механических перегрузок, действующих на изделие.

В целях упрощения процесса компоновки рекомендуется применять различные виды аппликационного метода, в том числе реализованные в САПР PCAD. Печатные проводники рекомендуется выполнять одинаковой ширины по нормам для свободного места на всем их протяжении. Сужать проводники до минимального значения следует только в узком месте на возможно меньшей длине. Проводники шириной более 5 мм, расположенные на ПП со стороны пайки и на внутренних слоях МПП, выполняют в соответствии с рекомендациями для конструирования экрана.

При компоновке печатного монтажа проводники следует располагать равномерно по полной площади ПП с учетом следующих требований:

а) параллельно линии координатной сетки или под углом 45°;

б) как можно более короткими;

в) параллельно направлению движения волны припоя или под углом к нему не более 30° со стороны пайки, если проводящий рисунок не покрывают защитной маской;

г) во взаимно перпендикулярных направлениях на соседних проводящих слоях ПП;

д) перпендикулярно касательной к контуру контактной площадки.

Конструкторско-технологические и проверочные расчеты.

Основной целью проведения расчетов является обеспечение технологичности производства ПП и минимального влияния параметров ПП на функционирование модуля. Основными видами расчетов являются следующие. Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка (S) в миллиметрах определяют:

где Sмд - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;

Д - верхнее предельное отклонение ширины проводника.

Величину Sмд выбирают из расчета обеспечения электрической прочности изоляции в соответствии с ГОСТ 23751 - 86 или по ОСТ 4.010.019 - 81. Номинальное значение ширины проводника (t) определяется током, протекающим по нему (), и удельной плотностью тока в материале проводников. Рассчитывается по формуле:

где t - минимально допустимая ширина проводника, мм;

Jн - ток нагрузки, А;

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

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

Определение номинальных значений диаметров монтажных отверстий. 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. Диаметры монтажных отверстий рекомендуется выбирать так, чтобы разница с диаметром вывода ЭРЭ составляла 0,1...0,4 мм. При этом для повышения технологичности необходимо стремиться к сокращению количества различных диаметров. Диаметры монтажных и переходных отверстий должны соответствовать ГОСТ 10317 - 79. Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм, а переходных отверстий - из ряда 0,7; 0,9; 1,1 мм. Для элементов с диаметром выводов 0,4...0,6 мм можно использовать монтажные отверстия диаметром 0,7 мм, для выводов 0,7...1 мм - 1,1мм. В случае металлизации отверстий диаметр сверления необходимо увеличить на удвоенное значение толщины фольги на плате. Сопротивление изоляции Ru параллельных проводников приближенно вычисляется как:

где Rs - поверхностное сопротивление изоляции, Ом;

Rv - объемное сопротивление изоляции, Ом.

Поверхностное сопротивление (Rs) определяется по формуле:

=

где - удельное поверхностное сопротивление основания ПП (для стеклотекстолита 5 Ом, для гетинакса - Ом;

l - расстояние между проводниками, м;

L - длина параллельного пробега проводников, м.

Сопротивление изоляции (объемное) между проводниками, расположенными в объеме печатной платы на внутренних слоях или на противоположных сторонах двусторонней платы, определяется из выражения:

=

где - удельное объемное сопротивление диэлектрика основания ПП (для стеклотекстолита 5· Ом·м, для гетинакса - 5· Ом·м;

F - минимальная площадь проекции печатных проводников друг на друга, м2;

h - толщина зазора между проводниками, м.

Для нормальной работы ПП сопротивление изоляции между разобщенными цепями в условиях наивысшей влажности должно подчиняться неравенству Rи ? Rвх, где Rвх - входное сопротивление коммутируемых цепей. 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 Uп на проводнике:

=

где с - удельное сопротивление проводника,

lп, , t - максимальная длина проводника, м;

Jн - ток, протекающий по проводнику (определяется из анализа принципиальной схемы), А.

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

=с

Расчет вибропрочности функционального узла проводится с целью определения его механической устойчивости к воздействию внешних нагрузок. Чаще всего наибольшим негативным воздействием обладает вибрация. Поэтому устойчивость узла к механическим воздействиям оценивают на основе анализа собственной резонансной частоты колебаний. Частоту собственных колебаний равномерно нагруженной ПП определяют по формуле:

=

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

D=

где Е - модуль упругости; h - толщина ПП; v - коэффициент Пуассона; m - масса платы с элементами; - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон платы, определяемый по формуле:

=K

Коэффициенты б, в, г, К приведены в таблице приложения. Для печатной платы, закрепленной в четырех точках:

=

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

печатный плата межъячеечный коммутация

Размещено на Allbest.ru