Разработка печатного узла

Введение

Современные электронные средства проектируются с использованием интегральных схем высокой степени интеграции и элементной базы, монтируемой на поверхность. Это позволяет существенно расширить функциональные возможности аппаратуры. Монтаж на поверхность – это крепление и монтаж компонентов специальной конструкции непосредственно на поверхность печатной платы. Главная особенность конструкций компонентов, монтируемых на поверхность (КМП) – отсутствие штыревых или планарных выводов. Взамен их для присоединения к плате используются металлизированные торцы корпусов компонентов или настолько миниатюрные выводы, что они в незначительной мере увеличивают площадь платы для монтажа такого компонента.

В основном в конструкциях радиоэлектронных узлов в современных радиоэлектронных аппаратурах наблюдается сочетание методов монтажа в отверстия и монтажа на поверхность, а так же поблочное. Последнее позволяет быстрый ремонт за счет замены не исправного блока на аналогичный исправный.

В данной курсовой работе будет разработан печатный узел, в котором будет максимально использован монтаж на поверхность.

В общем виде проектирование конструкции печатного узла и технологии его изготовления в данной курсовой работе состоит из следующих глав:

−  анализ технического задания;

−  разработка конструкции узла;

−  проверочный расчет;

В данной курсовой работе представлены чертежи схемы электрической принципиальной, печатной платы и сборочного чертежа

1 Анализ технического задания

печатный узел плата электрическая принципиальная

Конкретное конструктивное исполнение функционального узла (ФУ) на печатной плате (ПП) во многом зависит от условий эксплуатации (от уровня механических и климатических воздействий), схемотехнического назначения (вида аппаратуры, диапазона частот, рассеиваемых мощностей и т.д.), используемой элементной базы, особенностей установки ФУ в конструктивы старшего уровня, тиражности выпуска.

Основные требования вытекают из технического задания, которое задается в виде шифра, в нашем случае 515ТВ4-24.

Первый элемент обозначения указывает на тип аппаратуры. В данном случае цифра 5 означает, что аппаратура является морской. Радиоаппаратура, в зависимости от назначения, может расчленяться на несколько функционально законченных частей и должна отвечать следующим условиям:

- Защищенность РЭС от значительных случайных ударов и вибрационных нагрузок при перемещении вместе;

 - Требования высокой надежности;

 - Малый вес (за плечами – 10кг, на ремне через плечо – 3кг, в кармане – 1 кг.)

 - Возможность работы РЭС на ходу и на ощупь (в темное время суток);

 - Защищенность от попадания пыли, влаги, конденсата.

 - Стойкость к циклическим сменам температуры

Тип аппаратуры обуславливает так же уровень механических воздействий применительно к объекту установки. Для морской аппаратуры установлены следующие требования к уровню механических воздействий:

Корпус:

- частота вибраций - 1…15 Гц;

- амплитуда – 1,5…3

- ударное ускорение - 200…400 g.

- линейное ускорение – до6 g.

Второй элемент обозначения указывает на конструктивное исполнение. Цифра 1 означает, что аппаратура эксплуатируется в виде автономного блока (прибора, устройства). Автономный блок не требует, как правило, использования стандартных размеров плат по обеспечению их входимости в блоки и субблоки.

Третий элемент обозначения определяет условия производства. В данном случае цифра 5 указывает на крупносерийное производство с выпуском изделия в количестве 10⁵=100000 штук в год. В зависимости от объема производства изменяются и требования к автоматизации установки элементов, способам маркировки, методам изготовления, классам точности печатных плат. В виду крупносерийности производства желательно автоматизировать процесс, применить к печатной плате минимально возможный класс точности и наиболее простой способ ее изготовления.

Четвертый и пятый элемент, буквенный код В и цифра 4, указывают на климатическое исполнение, т.е. на климатический район и категорию размещения. Буквенный код характеризует климатический район: В- всеклиматическое исполнение для суши и моря(кроме Антарктиды).Цифра определяет категорию размещения: 4 означает размещение аппаратуры в отапливаемых помещениях с исскуственным климатом. Значения температур окружающего воздуха для данного климатического исполнения следующие:

- верхнее значение +35⁰ С;

- нижнее значение +1⁰ С;

- среднее значение +10⁰ С;

- предельный рабочий диапазон +1⁰…+35⁰ С.

Последнее число в шифре технического задания – это номер варианта, указывающий на схему электрическую принципиальную, для которой и требуется разработать печатный узел. В данном случае это схема формирователя однополярных импульсов. Его схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная.

Таблица 1 – Параметры элементов схемы усилителя постоянного тока

Позиционное обозначение	Выполняемые функции и характеристики
DA1	ОУ общего применения
С1, С2	Конденсатор 100 пФ
R1,R2, R6	Резистор общего применения 10 кОм
R3	Резистор общего применения 100 кОм
R4	Резистор общего применения 750 Ом
R5	Резистор общего применения 1,5 кОм
R5, R7	Резистор общего применения 1 кОм
VD1	Диод высокочастотный импульсный
VT1, VT3	n-p-n транзистор большой мощности, средней частоты
VT2	p-n-p транзистор большой мощности, средней частоты

Данное устройство формирует однополярные импульсы при подаче на вход синусоидального сигнала.

Так как мы имеем два транзистора средней частоты, можно предположить, что синусоидальный сигнал будет иметь частоту от 3 до 30 МГц

При анализе схемы электрической принципиальной следует определить токи и напряжения, действующие в каждой цепи устройства. Это необходимо для оптимального подбора элементной базы для будущего функционального узла. Как видно из пункта 1, необходимо определить мощности рассеивания для резисторов, рабочие напряжения на конденсаторах.

Проведем анализ схемы по постоянному току используя программное обеспечение Micro-CAP V9

Определим протекающие токи, напряжения в основных точках и рассеиваемые мощности на элементах схемы. Данные представим в виде рисунков и таблицы:

Рисунок 2 – мощности рассеиваемые на элементах.

Рисунок 3 – токи протекающие в схеме

Рисунок 4 – напряжения в основных точках

Полученные данные представим виде таблицы.

Таблица 2 – данные полученные при расчете схемы

Резисторы:
Обозначение на схеме	Величина тока, А	Величина напряжения, В	Рассеиваемая мощность, Вт
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8	5,982 мкА 83,399 пА 5,982 мкА 13,644 мА 869,18 мкА 997.761 мкА 994.165 мкА 164.507 мА	59.82мВ 833.991нВ 658.03мВ 738,598мВ 100В 9,978 994,165мВ 14	357,845 нВт 0.071Вт 3.579 мкВт 139.624мВт 755,473 мкВт 9,955мВт 988,365 мкВт 108,251мВт

3 Выбор элементной базы

 

Произведем подбор элементной базы для данного узла. Выбор начнем с активных компонентов, так как он определяет ток, а следовательно, и рассеиваемую мощность на пассивных компонентах – резисторах.

В качестве операционного усилителя выберем микросхему КФ140УД7 (SO-08). Габариты представлены на рисунке 5, схема включения на рисунке 6, а ее параметры приведены в таблице 3.

Рисунок 5 – габаритный чертеж корпуса типа SO8, подтип 4303

Рисунок 6 – схема включения операционного усилителя

Назначение выводов :

1,5 – балансировка;

2 – вход инвертирующий;

3 – вход неинвертирующий;

4 – напряжение питания –Uп;

6 – выход;

7 – напряжение питания +Uп;

8 – коррекция.

Таблица 3 – параметры операционного усисилителя

Напряжение питания							15 В
Максимальное выходное напряжение при Uп= 15 В, Uвх= 0,1 В, Rн = 2 кОм							10,5 В
Входной ток при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм							не более 400 мкА
ок потребления при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм							не более 3,5 мА
Входное сопротивление							не менее 400 кОм
Геометрические размеры (мм):
А		А2		D		Е			Не
min	max	min	max	min	max	min		max	min	max
-	2	1,25	1,65	4,61	5	3,8		4	5,7	6,3

При выборе пассивных элементов руководствуемся параметрами, полученными в пункте 2.

При выборе резисторов используем критерии:

−  максимальная мощность рассеиваемая на резисторах;

−  разброс величины сопротивления должен быть минимальным;

−  использовать по возможности резисторы одного типа.

Подберем резисторы согласно расчету выделяемой мощности в пункте 2. Согласно схеме для резисторов R1, R3, R5, R6, R7, R8 подойдут P1-12-0,062 резисторы металлодиэлектрические прецизионные. Основные характеристики такого резистора:

- Пределы номинального сопротивления 0,75 Ом —22 МОм

-Номинальная мощность, Вт - 0.062

-Типоразмер - 0603

-Масса не более 0,01г

Отобразим основные геометрические размеры:

Рисунок 3. Внешние размеры резисторов

Представим основные геометрические размеры в виде таблицы:

Таблица2

Тип резистора	L,mm	S,mm	W,mm	T,mm	Hmax,mm
P1-12-0,062	1,6±0,2	0,8±0,2	0,8±0,2	0,4	0,3±0,2

Посадочное место:

Рисунок 4. Размеры посадочного места резисторов

Геометрический размер посадочного места представлены в таблице 3:

Таблица 3

Тип резистора	Z,mm	G,mm	X,mm	Y,mm	C,mm
P1-12-0,062	1,6	0,8	0,8	0,4	1,2

Определим установочную площадь резисторов:

Sуст= 0,8*1,6*0,8*5 =5,12mm²

Для резистора R4 подойдет резистор Р1-12-0,25. Основные характеристики такого резистора:

- Пределы номинального сопротивления 0,75 Ом —22 МОм

-Номинальная мощность, Вт - 0.25

-Типоразмер - 1206

-Масса не более 0,015г

Представим основные геометрические размеры в виде таблицы:

Таблица 4

Тип резистора	L,mm	S,mm	W,mm	T,mm	Hmax,mm
P1-12-0,25	3,2±0,2	0,8±0,2	1,6±0,5	0,4	0,5±0,2

Геометрический размер посадочного места представлены в таблице 3:

Таблица 3

Тип резистора	Z,mm	G,mm	X,mm	Y,mm	C,mm
P1-12-0,25	3,2	0,8	1,6	0,4	1,2

Определим установочную площадь резисторов:

Sуст= 0,8*3,2*1,6*1 =5,92mm²

Для резисторов R2 и R8 используем Р1-12-0,125. Основные характеристики резистора:

- Пределы номинального сопротивления 0,75 Ом —22 МОм

-Номинальная мощность, Вт - 0.125

-Типоразмер - 0805

-Масса не более 0,015г

Представим основные геометрические размеры в виде таблицы:

Таблица 5

Тип резистора	L,mm	S,mm	W,mm	T,mm	Hmax,mm
P1-12-0,25	2,0±0,2	0,8±0,2	1,25±0,2	0,4	0,6±0,2

Геометрический размер посадочного места представлены в таблице 3:

Таблица 6

Тип резистора	Z,mm	G,mm	X,mm	Y,mm	C,mm
P1-12-0,125	2,0	0,8	1,25	0,4	1,2

Определим установочную площадь резисторов:

Sуст= 0,8*2,0*1,25*2 =4mm²

При подборе конденсаторов выбор достаточно велик, практически все они удовлетворяют климатическим и механическим требованиям, и поэтому особую роль играют массогабаритные и электрические параметры (отклонение номинала, рабочее напряжение и т.д.), а так же показатели надежности.

Согласно ТЗ подберем конденсаторы соответствующей емкости, рабочего напряжения, материала.

Конденсаторы С1=С2 = 100 пф имеют одинаковые геометрические размеры. Их основные характеристики:

-Тип конденсатора – КМ-5Б

-Материал - керамический

-Типоразмер - 805

-Номинальное напряжение 160В

-Масса 0,5г

Геометрические размеры данных конденсаторов представлены в таблице 7:

 

Рисунок 5. Внешний вид конденсаторов С1 и С2

Рисунок 6. Размеры посадочного места конденсаторов С1 и С2

Таблица 7

Тип конденсаторов	L1max,mm	В3,mm	А,mm	d, mm	H max, mm
КМ-5Б	4,5	6,5	2,5±0,85 0±0,8	0,5±0,1	6-5

Определим установочную площадь конденсаторов:

Sуст= 4,5*6*2 =54mm²

Транзисторы выбраны согласно техническому заданию.

Для транзисторов VT1 и VT2 подобраны КТ850, большой мощности, средней частоты.

Таблица 7

Тип транзисторов	L,mm	В,mm	W, mm	В, mm
КТ850	10	10	16	6

Определим установочную площадь этих двух транзисторов:

Sуст= 22*10*2 =440mm²

Транзистор VT3 так же соответствует техническому заданию

 

Определим установочную площадь транзистора:

S_уст = 3,14*5,84=18,33mm²_.