Разработка и конструирования печатного узла электронного предохранителя

 

 

Умножим сумму всех элементов на коэффициент заполнения – это необходимо сделать для того чтобы детали располагались на плате свободно и для удобства проведения печатных проводников. Принимаем коэффициент заполнения равный 2.5, так как требуется обеспечить теплоотвод некоторых элементов.

Общая площадь печатной платы будет равна S=3040мм2

Отношение «а» к «в» должно быть меньше или равно отношению 3/1, где «а» – длина платы, «в» – ширина платы.

Возьмем плату со сторонами 65х65 мм.

3.7 Разработка топологии  печатной платы

Процесс разработки печатной платы складывается из следующих операций:

а) компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;

б) разводка печатных проводников («трассировка»). Цель этой операции - провести проводники, соединяющие контактные площадки так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечения.

Компоновка и разводка связаны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор обнаруживает, что компоновку нужно изменить. В процессе этих операции должны быть определены:

а) зона расположения проектируемой печатной схемы;

б) вспомогательные зоны, служащие для закрепления печатной платы изделия со всеми крепежными и технологическими отверстиями;

в) зоны расположения соединителя, служащего для подключения печатного узла к другим устройствам изделия, и расположение контактных площадок для припайки его выводов.

Разработку топологии выполняют на ЭВМ или на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом, мы выбрали шаг равный 2,5.

Топологический метод конструирования есть графическое представление взаимного расположения элементов конструкции и соединяющих их электрических цепей с реализацией свойств, заложенных в принципиальной схеме. Этот метод успешно используют при разбиении общей схемы на узлы, взаимном размещении базовых элементов на плате, трассировке электрических соединений и разработке структур микросхем. Топологический метод позволяет решать задачи возможного сокращения количества проводников, их длины, числа паяных соединений, выводов на разъемы с учетом обеспечения параметров в соответствии с заданными свойствами конструкции.

Основным документом для решения топологии при компоновке элементов радиоэлектронной аппаратуры служат принципиальные электрические схемы, схемы соединения, геометрия монтажных площадок (панелей, плат, шасси), размеры и форма размещаемых элементов. На размещение элементов значительное влияние оказывают также принятые в каждом случаи критерии оптимального конструирования.

В качестве основных критериев принимают минимальные значения:

а) расстояние между элементами, имеющими наибольшее количество соединительных проводников;

б) суммарной длины проводников;

в) количества проводников;

г) количества пересечений (для печатного монтажа);

д) количество проводников, присоединяемых к одной монтажной точке;

е) количество проводников, присоединяемых к контактам электрических соединителей, соединительных планок и других опорных точек.

С уменьшением расстояний между радиоэлектронными элементами или между проводниками появляется опасность превышения допустимых пределов паразитных связей, при этом можно ожидать и ухудшения теплового режима. Таким образом, к перечисленным выше критериям, прибавляются еще и критерии функционального качества, выражаемые электромагнитной совместимостью и тепловым градиентом. Так как напряжение в узле не превышает 25В. то расстояние между элементами токопроводящего рисунка берем равным 0.3мм.

Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод - на вертикальной или горизонтальной линиях координатной сетки.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. Диаметры отверстий в плате и диаметры контактных площадок для печатной платы приведены в таблице 3.

 

 

 

 

  Таблица 3 - Диаметры отверстий в плате и диаметры контактных площадок.

Диаметр отверстия в плате (мм)	Диаметр контактной площадки (мм)
0.6	2.2
0.7	2.2
0.8	2.2
1	2.5
1,8	2,8

 

Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставленного в него вывода и от толщины платы. Связано это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получится неравномерной, а при большом отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться непокрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее толщины платы.

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

Отверстия на плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы. В противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь достаточной механической прочности.

Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы от планарных корпусов, рекомендуется делать прямоугольными.

Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.

 

 

3.8 Разработка компоновки печатного узла

 

Компоновка радиотехнического изделия — часть процесса конструирования. На этом этапе определяются форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность. В процессе компоновки необходимо соблюдать следующие условия:

а) между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики оделил; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

в) расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

г) изделие должно удовлетворять требования технической эстетики;

д) габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Однако следует отметить, что габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов. Резкое сокращение габаритов и массы было получено при переходе от ламповых схем к схемам на полупроводниковых приборах. Такой переход сопровождался уменьшением выделяемой в аппаратуре мощности и снижением значения питающих напряжений,

что позволило наряду с полупроводниковыми элементами применять малогабаритные маломощные резисторы, конденсаторы и другие малогабаритные радиоэлементы. Еще больший эффект получается при широком использовании в аппаратуре гибридных и полупроводниковых микросхем.

Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа — среднее количество радиоэлементов, умещающееся в единице объема, например в 1 см3. :

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимальных решений.

Радиотехнические изделия имеют разное назначение и состоят из различного количества элементов. Так, схема карманного радиовещательного приемника состоит из нескольких десятков элементов, причем масса каждого из них не превышает десятков граммов. При конструировании все элементы, включая антенну и источники питания, стремятся скомпоновать в одном приборе, удобном для переноски.

Современная радиолокационная станция может состоять из десятков тысяч элементов массой от нескольких граммов до десятков килограммов. Попытка создать станцию в виде одного прибора приведет к абсурдным результатам: станция будет неудобна при транспортировке и размещении, будут затруднены ремонт и эксплуатация, станция будет обладать плохой технологи точностью и надежностью. Поэтому современные сложные радиотехнические устройства обычно разделяют на приборы. Метод разделения, а также требования к конструкции приборов в значительной степени зависят от характеристик объекта, на котором будет установлено радиотехническое изделие, и от конструкции элементов, из которых состоит схема изделия.

 

3.9 Выбор метода и материала защиты печатного узла от климатических

воздействий.

 

 

Проблема надежности прибора или устройства связана с защитой ЭРЭ от воздействия окружающей среды.

Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы необходимо покрывать слоем лака.

Используемые материалы для защиты печатного узла от внешних воздействий должны иметь следующие свойства:

 

 

 

- Малую влагопоглощаемость.

- Большое сопротивление  изоляции.

- Способность быстро высыхать  при невысокой плюсовой температуре.

- Отсутствие растрескивания  в диапазоне рабочих температур.

Печатные платы наиболее часто покрывают лаком УР-231 ТУ 6-21-14-90. однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надежно защитить плату от влаги при длительном воздействии, так как абсолютно влагонепоглощающих лаков не существует.

Разделение поверхности земного шара на климатические районы производят по следующим признакам:

- к районам с умеренным  климатом относят районы, в которых  температура воздуха лежит в  пределах от +45 до -450С;

-  к районам с холодным  климатом относят районы, в которых  минимальная температура ниже -450С;

-  районы, где температура больше 200С в сочетании с высокой относительной влажностью (более 80%) наблюдается не менее 12ч в сутки непрерывно не менее двух месяцев подряд, относят к районам с влажным тропическим климатом. Если температура воздуха превышает +400С, а влажность ниже норм, указанных в предыдущем пункте, то такой климат называют тропическим сухим;

-  к районам с умеренно  холодным морским климатом относят  моря океаны, при условии, что  температура в них не опускается  ниже -450С;

Условия эксплуатации аппаратуры так же зависят от вида помещения или укрытия, в котором она расположена. В соответствии с этим аппаратуру подразделяют на пять категорий:

- аппаратура, предназначенная  для эксплуатации непосредственно  на открытом воздухе.

-  аппаратура, предназначенная для эксплуатации в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например в палатках, в кузовах, прицепах, под навесами при отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.

- аппаратура, предназначенная  для работы в неотапливаемых  помещениях с естественной вентиляцией.

-  аппаратура, предназначенная  для работы в закрытых отапливаемых  и вентилируемых помещениях.

-  аппаратура, предназначенная  для работы в помещениях с  повышенной влажностью, например в неотапливаемых помещениях и невентилируемых подземных помещениях, в трюмах кораблей, где возможно длительное наличие воды, и т.п.

При конструировании аппаратуры необходимо учитывать влияние внешних факторов.

Понижение температуры оказывает влияние на работу электромеханических устройств, так как значительные перепады ее от +20 до -600С приводят к изменению зазоров и натягов. Одновременно происходит сгущение смазочных веществ, что вызывает увеличение моментов и сил трения в подвижных устройствах. При понижении температуры окружающего воздуха меняются и параметры радиоэлементов. Аппаратура должна быть сконструирована так, чтобы при заданной отрицательной температуре ее параметры сохранились.

 

4 Ориентировочный расчет надежности

 

Таблица 4 - Расчет надежности.

 

Наименование элемента	1/ч	Кол - во	1/ч				1/ч
Резисторы
С2-23	0,05	9	0,45	1.5	1	1	0,675
Конденсаторы
К10-17	0,01	5	0,05	1.5	1	1	0,075
Кнопки
В170G/В170Н	0,04	4	0,16	1.5	1	1	0,24
Светодиоды
АЛ307БМ	0,005	1	0,005	1.5	1	1	0,0075
Стабилизатор
напряжения DA1	0,05	1	0,05	1.5	1	1	0,075
Дроссель							0,75
ЕС-24	0,5	1	0,5	1.5	1	1	0,75
Микросхемы
DD1	0,05	1	0,05	1.5	1	1	0,075
Усилитель постоянного токаDA2	0,05	1	0,05	1.5	1	1	0,075
Транзистор VT1	0,08	1	0,08	1.5	1	1	0,12
Кол-во паек	0,001	85	0,104	1.5	1	1	0,156