Расчет узкого места

3.2 Расчет узкого места

 

1.  Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки

D _kmin=2Вm + d₀ +1.5h_ф +2∆_л+C₁ (3.2.1)

D _kmin = 2 x 3 +0.7+1.5 x 0.3+2 x 0.567 + 0.65

D _kmin = 8.9мм

Где Вm – расстояние от края просверленной линии до края контактной площадки.

d₀ - номинальный диаметр металлизированного отверстия.

h_ф – толщина фольги

∆_л =∆_м L/100- изменение длинны печатной платы при нестабильности линейных размеров.

Где L – размер большой длинны печатной платы

∆_м - изменение контактной площадки при нестабильности линейных размеров (обычно 0,3 мм)

С₁ – поправочный коэффициент

С1 учитывает погрешности при центровке, сверлении, при изготовлении фото шаблона и др.

Толщина фольги – 0,3 – 0,5мм

Печатные платы размером более 240*240мм – 1 класс плотности

Для плат размером меньше 240*240мм больше 170*170мм – 1 и 2 классы плотности, платы меньших размеров 3 класс плотности.

∆_л =∆_м L/100 (3.2.2)

∆_л = 0.3*189/100

∆_л = 0,567мм

2. Рассчитываем максимальный диаметр контактной площадки

D _kmах =2Вm + d₀ +1.5h_ф +2∆_л+C₂ (3.2.3)

D _kmax = 2 x 3 + 0.7+1.5 x 0.3+2 x 0.567+0.77

D _kmax = 9мм

Минимальное расстояние для прокладки n проводников между двумя контактными площадками должно обеспечиваться при максимальном диаметре контактной площадки и максимальной ширине проводника с учетом погрешности ∆_ш

3.  Минимальное расстояние для прокладки n проводников.

L_min = 0.5(D_k1min + D_k2max) + 2∆_ш +(T_max + ∆_ш)n + S(n+1) < kh, (3.2.4)

Где T_max = T + ∆_ш + 2∆_э

k – число клеток координатной сетки

h – шаг координатной сетки

∆_э – погрешность при экспонировании.

L_min = 0.5(D_k1min + D_k2max) + 2∆_ш +(T_max + ∆_ш)n + S(n+1) < kh, (3.2.4)

T _max = T + ∆_ш + 2∆_э (3.2.5)

T _max =0.67 + 0.05 + 2*0.06=0,84мм

L _min = 0.5(21.806+21.926) + 2 x 0.05 + (0.84+0.05) x 2 + 0.5(2+1) <20

L _min = 4.45 + 4.5 + 0.1+1.78 +1.5 <20

L _min= 12.23<20

 

3.3 Расчет высокочастотной экранированной катушки

Определить размеры, число витков и добротность катушки индуктивности по следующим данным:

Lкэ – индуктивность экранированной катушки (МкГн) – 1 МкГн

f - рабочая частота (МГц) – 132 МГц

а*а – площадь, занимаемая катушкой (мм²) 16,5 х 16,5

1. Определим размер экрана. Применим экран квадратной формы с размером стороны а. Эквивалентный диаметр экрана.

Дэ = 1,2а (3.3.1)

Дэ = 1,2*16,5

Дэ = 19,8 мм

1.  Максимальная добротность катушки имеем при 1/Д=1,

Где 1- осевая длинна катушки, Д-её диаметр.

Высокая добротность имеется, если Д=Дэ/2

Найдем Д (см) и 1=Д(см)

Д= Дэ/2 (3.3.2)

Д=19,8/2

Д= 9,9см

2.  По графику 1 определяем n, n =1.4

3.  Определяем расчетную величину катушки индуктивности без экрана

 L = Lкэ/(1-n(Д/Дэ)³) (3.3.3)

 L = 1/(1-1,4(9,4/19,8)³)

 L = 1/5

 L = 0,2мкГн

4.  находим оптимальный диаметр провода для однослойной катушки. Считаем, что Д=Д₀ где Д₀ – диаметр каркаса. Пусть 1/Д=1, тогда 1=Д

По графику 2 находим вспомогательный коэффициент S

S = 0.4

5.  Находим вспомогательный коэффициент P1

P1²=(LS)/Д (3.3.4)

P1²= (0,2*0,4)/9,9³

P1²= 3,3Вт

6.  Находим коэффициент а1

а1 = fср/PL² (3.3.5)

а1 = 132/3,3

а1 = 40

7.  По найденному значению коэффициента а1 и по графику 3 находим коэффициент В = P1*dопт, где dопт – оптимальный диаметр провода

Находим оптимальный диаметр провода

dопт = B/P1 (3.3.6)

dопт = 0.5/40

dопт = 0.8мм

dопт округляют для ближайшего стандартного значения. (Таблица1)

10. Число витков катушки определяем по формуле.

N=√10^-3*L/L₀*Д (3.3.7)

N=√0,2*10^-3/3*9,9

N=√6,73

N=3 витка

Где L0 зависит от 1/Д и определяется по графику 4t/Д берем равным 0. Проверим возможность размещения числа витков на принятой длине обмотки Д в см.

11. Находим шаг намотки

 t=1/(N-1) (3.3.8)

 t = 1/2.6 -1

 t = 0.63мм

12. Собственная емкость катушки, намотанной в один слой на гладком каркасе.

С₀=0,5Д₀ (3.3.9)

 С₀= 0,5*9,9

 С₀ = 4,65мкГн

13. Находим сопротивления току высокой частоты

r_f = 0.52ДN√f10^-3/dиз (3.3.10)

r_f =0,52*9,9*2,6√132*10³/0,13

 r_f = 13,38*11,5*10³/0,13

 r_f = 1153Ом

13. Добротность катушки определяем по формуле

Q = wL/ r_f=6.28fL/ r_f(3.3.11)

 Где f- частота в МГц, L – индуктивность в мкГн

 Q = 6,28*132*2.6/1153

 Q = 1,8

4. Конструкторская часть

 

4.1 Обоснование разработки трассировки печатных плат

Печатные платы – это элементы конструкций предназначенных для соединения элементов электрической цепи при помощи печатных проводников. Печатные платы состоят из диэлектрического основания, на котором расположены плоские проводники. Они обеспечивают соединение элементов. Применение печатных плат позволяет увеличить плотность монтажа. Они дают возможность получить в одном технологическом цикле проводники и экранирующие поверхности. Печатные платы гарантируют повторяемость характеристик, особенно паразитных. Повышается стойкость к механическим и климатическим воздействиям, обеспечивается унификация сложных изделий и повышается надёжность. Платы дают возможность механизировать и автоматизировать монтажно-сборочные, регулировочные и контрольные работы, при этом снижается трудоёмкость работ и стоимость изделия. Недостатком печатных плат является сложность внесения изменений в конструкцию и плохая ремонтопригодность. К печатным платам предъявляются некоторый ряд технических требований:

 Основание должно быть однородным по цвету, монолитным, без внутренних пузырей и раковин, без посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются одиночные вскрошения металла, царапины, следы от удаления отдельных не вытравленных участков, контурное просветление.

 Проводящий рисунок должен быть четкий, с ровными краями, без вздутий, следов инструмента. Отдельные протравы (5 точек на 1 дм²) при условии, что оставшаяся ширина проводника соответствует минимально допустимой по чертежу.

 Допускаются риски глубиной менее 25 мкм и длинной до 6 мм.

 Допускаются отслоения проводника в одном месте не более 4 мм.

 При наличии критических дефектов, печатные проводники могут дублироваться объёмными не более 5 для плат 120х180 мм и не более 10 для плат большего размера.

Связь между сторонами платы осуществляется при помощи монтажных отверстий. При помощи их крепятся элементы. Вокруг монтажного отверстия делается ободок, который называется контактной площадкой. Его ширина не менее 50 мкм. Разрывы не допускаются. Допускаются отдельные отслоения контактных площадок до 2% и их ремонт при помощи эпоксидного клея, после чего они должны выдерживать три пайки.

При воздействии повышенной температуры, контактные площадки должны держать температуру порядка 290 °С не менее 10 сек без разрывов и отслоения.

 Печатные платы классифицируются по параметрам и применению.

 Односторонние печатные платы просты и экономичны. Применяются для монтажа бытовой радиоаппаратуры, техники связи, источников питания и т.д. Обычно они выполняются на слоистом или листовом основании: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. Монтажные отверстия могут быть металлизированными и не металлизированными. На одной стороне расположен печатный монтаж, а на другой объёмные элементы; крепёж, арматура, тепло отводы и т.д.

 Двухсторонние печатные платы. У них печатный рисунок располагается с двух сторон, а элементы, как правило, с одной стороны. Связь между сторонами осуществляется при помощи металлизированных сквозных отверстий.

Проводные печатные платы применяются в опытном производстве при макетировании. На плате делают контактные площадки, на которые размещают элементы. Связь между ними осуществляют при помощи проводов.

Печатные проводники желательно располагать параллельно друг к другу. При необходимости угол печатного проводника 45°.

Узкие проводники легко отслаиваются. Для их закрепления используют сквозные отверстия через каждые 25 – 30 мм, или расширяются контактные площадки 1х1 мм. Если ширина экрана более 5 мм, то в экране надо делать вырезы, т.к. при нагреве медь расширяется и может покоробиться.

Печатные платы в зависимости от минимальной ширины печатных проводников и минимального зазора между ними делят на три класса. К классу 1 относятся платы с пониженной плотностью монтажа, у которых ширина проводников и зазор между ними должен быть не менее 0.5 мм. Класс 2 образуют платы с повышенной плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазоры не менее 0.25 мм. Платы с шириной проводников и зазорами до 0.15 мм (класс 3) имеют высокую плотность монтажа. Платы этого класса следует применять только в отдельных, технически обоснованных случаях.

Чертежи печатных плат выполняют на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника.

Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2.5 или 1.25 мм. Шаг 1.25 мм применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1.25 мм. 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.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0.8мм диаметр неметаллизированного отверстия делают на 0.2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0.8 мм – на 0.3 мм больше.

Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого 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 половины толщины платы.

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

Для неметаллизировавнных отверстий и торцов плат шероховатость поверхности делают такой, чтобы параметр шероховатости R_z< 80. У металлизированных отверстий и торцов шероховатость должна быть лучше: R_z< 40.

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 достаточно 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.

Проводники на всем их протяжении должны иметь одинаковую ширину. Если один или несколько проводников проходят через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длина участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной.

Следует иметь в виду, что узкие проводники (шириной 0.3 – 0.4 мм) могут, отслаивается от изоляционного основания при незначительных нагрузка. Если такие проводники имеют большую длину, то следует увеличивать прочность сцепления проводника с основанием, располагая через каждые 25 - 30 мм по длине проводника металлизированные отверстия или местные уширения типа контактной площадки с размерами 1 х 1 или более.

Если проводник проходит в узком месте между двумя отверстиями, то нужно прокладывать его так, чтобы он был перпендикулярен линии, соединяющей центры отверстий. При этом можно обеспечить максимальную ширину проводников и максимальное расстояние между ними.

Экраны и проводники шириной более 5 мм следует выполнять с вырезами. Связано это с тем, что при нагреве плат в процессе пайки изоляционного основания могут выделяться газы. Если проводник или экран имеют большую ширину, то газы, не находят выхода могут вспучивать фольгу. Формы вырезов может быть произвольной.

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами называют печатным узлом.

Если ЭРЭ имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлест.

ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны. Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.

При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:

полупроводниковые приборы и микросхемы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.);

должна быть предусмотрена возможность конвенции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;

должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировании схемы

Если элемент имеет электропроводный корпус и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса, наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.

Эти элементы могут работать при более жестких механических воздействиях, чем установленные.

В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы – их нужно крепить дополнительно за корпус.

При установке транзисторов в аппаратуре работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке.

ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу.

На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть менее 1.5 мм (в одном из направлений).

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.

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, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.

Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства: хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам; малую влагопоглощаемость; большое сопротивление изоляции; способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре; отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур.