Разработка и конструирования печатного узла электронного предохранителя

 

 Введение

 

 Рост эффективности общественного производства, повышение качества продукции, научные достижения сегодня становятся практически невозможными без широкого применения электронной аппаратуры. Практически во всех областях знаний прогресс немыслим без широкого использования электроники. Именно поэтому радиоэлектроника, зародившаяся всего несколько десятилетий назад, является  бурно развивающейся областью техники. За это время радиоэлектронная аппаратура прошла несколько этапов развития, каждый из которых позволял резко увеличивать количество функций, которые выполняет аппаратура, повышать их сложность и одновременно при этом сокращать вес и размеры аппаратуры, повышать её надёжность и снижать потребление энергии.

 Каждому этапу развития  соответствует своё поколение аппаратуры. К аппаратуре первого поколения относят радиоэлектронную аппаратуру, построенную на основе использования электронных ламп. Второе поколение – это аппаратура, построенная с использованием полупроводниковых приборов. Разработка и использование интегральных схем среднего уровня интеграции привели к появлению третьего поколения аппаратуры. Четвёртое поколение – это аппаратура, построенная с использованием интегральных схем повышенной степени интеграции; аппаратура, в которой применяются большие интегральные схемы с программируемой логикой (микропроцессорные комплекты), позволяющие использовать цифровую обработку информации.

 Технический и культурный  прогресс обеспечили радиоэлектронной  аппаратуре необычайно широкое распространение. Трудно назвать область науки и техники, где не использовалась бы РЭА. 
           1 Описание работы схемы электрической принципиальной

 

 

Электронный предохранитель с цифровым индикатором.

Предполагаемое устройство выполняет функции самовосстанавливающегося предохранителя и предназначено для защиты от перегрузок потоку различной радиоэлектронной аппаратуры, питаемой постоянным напряжением.

Основой устройства является микроконтроллер DD1. Он измеряет протекающий ток, сравнивает его с заранее установленным значением порога срабатывания защиты, выводит информацию на ЖК индикатор HG1 и управляет мощным полевым переключательным транзистором VT1.

Функцию датчика тока выполняет резистор R4. Напряжение на нём пропорционально протекающему через нагрузку току, оно поступает на усилитель постоянного тока на ОУ DA2.1, и уже усиленное напряжение через буферный усилитель-повторитель напряжения на ОУ DA2.2 – на линию РА0 Микроконтроллера DD1, которая сконфигурирована как вход встроенного в него АЦП.

Эталонное напряжение АЦП (2,56 В) выведено на выход РВ3 (вывод 17) микроконтроллера и дополнительно фильтруется конденсатором С5. Параметрический стабилизатор напряжения на резисторе R5 и светодиоде HL1 обеспечивает питание десятиразрядного ЖК индикатора HG1 напряжением около 1,5 В, резистивные делители R6R7 и R8R9 предназначены для согласования выходных сигналов микторконтроллёра с входами индикатора HG1.

АЦП микроконтроллера работает в режиме непрерывного преобразования с тактовой частотой около 250 кГц. При обработке прерывания по завершению преобразования происходит сравнение кодов в регистрах АЦП с кодами в буферных регистрах, которые соответствуют порогу срабатывания защиты. Если протекающий ток меньше установленного порога, транзистор VT1 открыт и на нагрузку поступает питающее напряжение. Когда ток достигнет или превысит пороговое значение, транзистор VT1 в течение около 60 мкс закрывается, отключая нагрузку. После этого через каждые 0,5 с транзистор VT1 по команде микроконтроллера DD1 станет открываться, и если перегрузка по току будет устранена, транзистор останется в открытом состоянии.

Значение протекающего тока и порога срабатывания отображаются на индикаторе HG1. В правой его части отображается значение порогового тока. В крайнем правом (первом) разряде – сотой доли ампера, во-втором – десятые, третий погашен и в четвёртом – единицы ампер. Аналогично в левой части индикатора (разряды 7-10) отображается значение протекающего через нагрузку тока. При превышении этим током 9,99 А на 7,8 и 10-разрядах отображаются знаки “ – “.

Нажатием на кнопку SB1 осуществляют установку порога срабатывания защиты 5 А. Программно запрещено скачкообразное изменение кодов в установочных регистрах (от 0 до 999, и наоборот). Нажатием на кнопку SB2 “ – “ или SB3 “ + “ изменяют это значение с переменным шагом. При постоянном удержании одной из этих кнопок первые десять значений порога изменяются с дискретностью 0,01 А, затем она увеличивается до 0,1 А. После отпускания кнопки шаг снова возвращается к исходному значению – 0,01 А.

Устройство позволяет определять максимальный пусковой ток нагрузки. Для этого нажимают на кнопку SB4 (режим). Перед обработкой прерывания от АЦП коды из установочных регистров копируются в регистры общего назначения миктроконтроллера, а при обработке прерывания увеличиваются на десять, что соответствует увеличению тока срабатывания защиты на 0,1 А. Если кнопку (режим) удерживать в нажатом состоянии, значение тока срабатывания защиты увеличивается на 0,1 А каждые 0,5 с и отображается в правой части индикатора. После подключения нагрузки (если необходимо) уменьшают значения тока защиты кнопкой SB2 “– “. Эта функция удобна при большой емкости конденсаторов в фильтрах питания нагрузки. Если точка SB4 (режим) не нажата, значение установочных регистров восстанавливается, и значение тока срабатывания защиты возвращается к первоначальному.

Большинство деталей размещены на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

Для налаживания к выходу устройства подключают последовательно соединённые резистор сопротивлением 6…10 Ом, мощностью 25 ВТ и образцовый амперметр. Изменением входного напряженияустанавливают выходной ток 1…1,5 А, и подборкой резистора R1 уравнивают показания в левой части индикатора HG1 и амперметра.

 

           2 Техническое и экономическое обоснование выбора элементно - компоненной базы.

 

Приступая к проектированию любого устройства, разработчик должен помнить о том, что одни и те же характеристики можно получить различными методами. При этом будет различна и стоимость изделия.

Стоимость любого радиоэлектронного изделия зависит от стоимости покупных элементов, стоимости материалов и затрат труда на изготовление деталей и проведение сборочно-регулировочных работ. Эти слагаемые определяют заводскую себестоимость изделия. В процессе эксплуатации потребитель расходует средства на содержание персонала, управляющего аппаратом, на энергопитание, на проведение профилактических и аварийных ремонтных работ.

Поэтому, проектируя схему и выбирая для нее элементы, нужно анализировать не только их функциональные характеристики, но и цену. При этом следует выбирать такие наиболее дешевые элементы, которые по своим функциональным свойствам еще позволяют удовлетворить общим требованиям, предъявляемым к изделию.

В стоимость любого изделия входят затраты на подготовку производства: на разработку технологического процесса, проектирование и изготовление инструмента и нестандартного оборудования. Процесс освоения в производстве нового изделия также вызывает дополнительные затраты. Поэтому большие резервы снижения стоимости любого изделия заложены в использовании уже освоенных в производстве деталей и узлов из других изделий.

Приступая к проектированию, конструктор должен проанализировать схему и конструкцию аналогичных изделий, освоенных в производстве, и по возможности использовать их или выявить те минимальные изменения конструкции, которые придадут ей новые свойства.

Одним из факторов, определяющих стоимость эксплуатации, является содержание персонала, управляющего аппаратом (операторов). Уменьшение этой составляющей стоимости может быть достигнуто за счет автоматизации процесса управления. Однако следует иметь в виду, что автоматизация приводит к усложнению схемы и конструкции аппарата, что повышает его заводскую себестоимость и снижает надежность.

Другой составляющей стоимости эксплуатации являются расходы на энергопитание.

Третьим фактором, определяющим стоимость эксплуатации изделия, является его надежность. Если изделие имеет низкую надежность, то при эксплуатации придется расходовать много средств на запасные части и на содержание высококвалифицированного обслуживающего персонала. Стоимость запасных частей может составлять значительную долю стоимости изделия, так как невозможно предугадать, какая деталь выйдет из строя, и в связи с этим приходится закладывать в запасное имущество большую номенклатуру деталей. Поэтому повышение надежности является большим резервом по снижению стоимости эксплуатации.

При выборе элементов для схемы следует проанализировать условие работы этой схемы напряжение в схеме, температуру и влажность окружающего воздуха и т.д. а также требования, предъявляемые к ее параметрам.

Условия эксплуатации: температура составляет -40°+40°С, давление 695-780 мм. р. с., и влажности 20-98%.     

 Все постоянные резисторы, используемые в схеме сигнализатора недостаточной освещённости, мощностью рассеивания 0,125Вт. Изучив номенклатуру современных резисторов, остановили свой выбор на применении С2-33. Данные резисторы широко используются в радиотехнике и зарекомендовали себя как наиболее надежные и предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве навесного монтажа. Сопротивление резисторов от 1 Ом до 3,01 МОм, точность 10%, диапазон рабочих температур от от -60 до +155 °С

Выбираем конденсаторы. К50-35 конденсаторы оксидно электролитические алюминиевые, предназначен для работы в цепях постоянного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Конденсатор выпускаются в алюминиевых цилиндрических корпусах с двумя однонаправленными выводами. На корпусе конденсатора нанесены технические данные. Диапазон рабочих температур от от -40 до 85°С, точность 10%. Конденсатор К50-68 алюминиевый оксидно-электролитический, конденсатор радиального типа. Предназначен для работы в цепях постоянного, пульсирующего тока и в импульсном режиме. Диапазон рабочих температур от -40 до +85°С, точность 20%. Импульсный конденсатор LS5 с полипропиленовой пленкой и металлической фольгой. Малые потери даже на высоких частотах, малая погрешность емкости и низкий отрицательный температурный коэффициент. Диапазон рабочих температур от −55 до +85 °C, точность ±2.5 %.

Выбранные элементы наиболее оптимальны для выполнения схемы сигнализатора возгорания и обеспечивают надежную и безотказную работу прибора в заданных климатических и электрических параметрах. Использование их позволяет значительно снизить конечные размеры прибора и обеспечить технологич ность сборки изделия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Разработка конструкции печатного узла

 

3.1 Выбор типа печатной платы

 

За последние десятилетия рост выпуска радиоэлектронной аппаратуры привел к созданию новых методов конструирования аппаратуры.

Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (ёмкость, индуктивность) от образца к образцу.

Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник  - участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины. Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным монтажом образует печатную плату. Иногда непосредственно на печатной плате, используя технологические процессы нанесения токопроводящего или изоляционного покрытия, получают отдельные электрорадиоэлементы— индуктивные катушки, контакты разъемов и переключателей и др. Такие элементы также называют печатными.

Система печатных проводников и электрорадиоэлементов, нанесенных на изоляционное основание, образует печатную схему.

По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные и многослойные (МПП). Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП).

Многослойная печатная плата (МПП) состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками. 

Многослойные печатные платы имеют соединения между проводниками, расположенными в различных слоях или открытый доступ к отдельным участкам проводников внутренних слоев для припайки к ним ЭРЭ.

В процессе разработки печатной платы данного устройства, оказалась возможной реализация его на двухсторонней печатной плате. Исходя из этого, следует, что данный сигнализатор освещения может быть организован на двухсторонней печатной плате, что не помешает согласованной работе всех его элементов.

 

3.2 Выбор метода изготовления печатной платы

 

Процесс изготовления изоляции печатной платы с печатным монтажом состоит из двух основных операций:

1) создание изображений печатных проводников:

- копирование изображения с негатива на светочувствительный слой;

- печатание изображение защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы.   

2) создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.

Самое большое распространение получили три метода токопроводящего слоя. Химический, при котором производиться вытравливание незащищенных участков фольги предварительно наклеенной на диэлектрик. Электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1 – 2 мкм, который затем наращивается гальваническим способом до нужной толщины. При этом методе одновременно с проводниками металлизируются стенки отверстий, которые можно использовать как перемычки для соединения проводников расположенных на различных сторонах платы. Комбинированный метод. Сущность его состоит в том, что сочетаются химический и электрохимический метод. При использовании комбинированного метода проводники получаются травлением фольги и металлизируются отверстия электрохимическим методом. Метал, нанесенный на стенки отверстия, должен быть соединен с контактной площадкой по всему периметру отверстия. При установке объемных проводников и выводов элементов металлизированные монтажные отверстия обеспечивают надежные впаянные контакты. В этом случае припой затекает в отверстие и контактирует не только с частью вывода, но и со стенкой отверстия и той частью вывода, которая расположена в нем. Использование не металлизированных отверстий приводит к меньшей надежности паки. В данное время для изготовления печатных плат применяют химический и комбинированный метод. Химический метод обеспечивает большую производительность, при этом не может быть получена высокая плотность монтажа, кроме того, он не может обеспечить высокую надежность пайки. Платы, изготовленные этим способом, уступают платам, изготовленным электрохимическим способом.