Разработка конструкции и технологии изготовления устройства: "Контроллер напряжения аккумуляторной батареи"

4. Конструкторский анализ схемы электрической принципиальной. 

Схема электрическая принципиальная:

  Анализ  принципиальной схемы проводится с  целью:

  -   уточнения принципа работы и  функций отдельных каскадов и цепей;

  - классификации элементов принципиальной  схемы на элементы и компоненты микросборки;

  - формулировки общих требований к взаимному размещению элементов и компонентов МСБ;

  - оценочного расчета по постоянному току электрических режимов элементов и компонентов, выбор компонентов. 

4.1. Подразделение элементов принципиальной схемы на элементы и компоненты микросборки.

  В соответствии с принятой терминологией  к элементам микросборки следует  отнести элементы электрической  принципиальной схемы, которые могут быть выполнены в интегральном (тонкопленочном) варианте.

    К ним относят соединительные проводники, контактные площадки, резисторы R1(33кОм), R3(5,6кОм), R4(1кОм), R5(1кОм), R6(33кОм), R8(5,6кОм), так как их номиналы попадают в пределы от 10...50 Ом  до  0,5...1,0 мОм,  конденсаторы C2(0,01мкФ),  C3(0,01мкФ), так как их номиналы попадают в пределы от 10...50 пФ до 0,01 мкФ.

  К навесным компонентам МСБ и печатной платы следует отнести подстроечные резисторы R2(10кОм), R7(10кОм), конденсатор С1(100мкФ), полупроводниковые диоды VD1(КД522А), стабилитроны DA1 и DA2 КР142ЕН19А, а также светодиоды HL1 и HL2  АЛ307АМ. 

4.2. Расчёт схемы по постоянному току. 

Напряжение питания  возьмём равным 14В (U=14В).

Определим ток  через резисторы R1, R2, R3 и R6, R7, R8.      Для этого:

 а также

  

Тогда ток через вышеперечисленные резисторы будет равен:

 при этом

 

Аналогичным образом, учитывая, что номиналы резисторов R4, R5 равны следует, что:

 
 

4.3. Определение рабочего напряжения между обкладками конденсаторов С1, С2, С3. 

С1:                    исходя из напряжения питания  .

С2 и  С3:    определим как разность потенциалов между их обкладками (соответственно разность напряжений на резисторах R1 и R4, а также R6 и R5)

  

   таким образом

      

Пусть  

Определение мощности, рассеиваемой на резисторах:

 

5. Разработка конструкции микросборки (МСБ). 

        Разработка топологии плат микросборок состоит в определении конфигурации и размеров тонкопленочных элементов и их рациональном размещения на подложке. 

5.1. Расчёт тонкоплёночных резисторов. 

Методика  расчёта:

  Расчет  резисторов начинают с выбора резистивного материала. Для этого определяют оптимальное значение сопротивления  квадрата резистивной пленки, минимизирующее площадь резисторов, , где R_i - номинальное значение сопротивления i-го резистора. По табличным значениям выбирают материал с сопротивлением квадрата резистивной пленки » и тем самым определяют другие параметры материала: удельную мощность рассеивания P₀, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) a_R.

  Далее находят допустимую относительную погрешность коэффициента формы

  g_k = g_R - g_{r кв} - g_Rt - g_{R t} - g_Rк .

  Резистивный материал выбран верно, если g_k > 0.

  По  заданной относительной погрешности g_R выбирается метод формирования конфигурации резистора: масочный (g_R = 10...15%) или фотолитографический (g_R = 5...10%).

  Находят коэффициент формы резистора k = R/r_кв. При масочном методе, если 1 £ k £ 10, резистор выполняется в виде прямоугольной полоски

если k >10, то резистор выполняется в виде составного или меандра,

если k<1, то резистор тоже прямоугольной формы, длина которого меньше ширины. Тонкопленочные резисторы в виде прямоугольной полоски при фотолитографическом методе могут иметь коэффициент формы 1 < k < 50, при коэффициенте формы k < 1 – резистор тоже прямоугольной формы, длина которого меньше ширины, при k >50 – меандр. Далее индивидуально для каждого метода и коэффициента формы проводят расчёт размеров тонкоплёночных резисторов. 

Определение оптимального значения сопротивления квадрата резистивной  плёнки:

По таблице , приведенной в пособии к курсовой работе, выбираем материал и представляем результат в виде (табл. 1):

                                                                                                             Табл. 1 

 

Находим допустимую относительную погрешность коэффициента формы  .

Для этого зададимся  следующими параметрами:

Относительная погрешность сопротивления резистора ;

Относительная погрешность квадрата резистивной  плёнки ;

Относительная температурная погрешность  ;

Относительная погрешность резистора, обусловленная старением ;

Относительная погрешность контактных переходов  резистора  . 

 

Находим коэффициент  формы резисторов:

 

 

1) Расчёт резистора R1 с коэффициентом формы К1=16,5:

Положим, что  необходимое перекрытие резистивного и проводящего слоёв, а также  припуск на совмещение слоёв МСБ  соответственно равны значениям:

 

Находим расчетную ширину резистора b = max{b_min^Т, b_min^П, b_min^Р}.

Минимальная технологически реализуемая ширина ;

Минимальная ширина резистора, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы м;

Минимально допустимая ширина резистора, обеспечивающая заданную мощность рассеяния .

Таким образом, расчётная ширина резистора равна  .

Определение длины  резистора по известной ширине:

Полная длина  резистора:

Ширина контактной площадки:

Тогда площадь  тонкопленочного резистора равна:

Проверка  результатов:

Определение фактического значения удельной мощности, рассеиваемой резистором.

Определение фактической  относительной погрешности коэффициента формы.

Определение фактической  относительной погрешности резистора.

Каждое из условий  выполняется. 
 
 
 

2) Расчёт резистора R4 с коэффициентом формы К1=0,5:

Положим, что  необходимое перекрытие резистивного и проводящего слоёв, а также  припуск на совмещение слоёв МСБ  соответственно равны значениям:

 

Находим расчетную  длину резистора l = max{l_min^Т, l_min^П, l_min^Р}.

Минимальная технологически реализуемая длина ;

Минимальная длина резистора, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы м;

Минимально допустимая длина резистора, обеспечивающая заданную мощность рассеяния .

Таким образом, расчётная длина резистора равна  м.

Определение ширины резистора по известной длине: м;

Полная длина  резистора: м;

Ширина контактной площадки: м;

Тогда площадь  тонкопленочного резистора равна:

Проверка  результатов:

Определение фактического значения удельной мощности, рассеиваемой резистором.

Определение фактической относительной погрешности коэффициента формы.

Определение фактической  относительной погрешности резистора.

Каждое из условий  выполняется. 
 
 
 
 
 
 
 

Результаты  расчётов резисторов оформим в виде таблицы (табл. 2)

Табл. 2