ktop_tz_kulnevx

2. Техническое задание на разработку конструкции
2.1 Введение
Настоящее ТЗ распространяется на разработку устройства беспроводного дистанционного
управления "Циклоп.
Бывают ситуации, когда нужно управлять аппаратурой (телевизорами, видеомагнитофонами) по
определенной программе без участия оператора. Это может понадобиться, например, в системах
видеонаблюдения. Обычные универсальные запоминающие пульты для радиоаппаратуры здесь
малопригодны, так как требуется определенная последовательность действий, которая зависит от
внешнего управляющего сигнала. Предлагаемое устройство выполняет эту задачу.
В последнее время круг бытовой видеоаппаратуры (телевизор, видеопроигрыватели)
пополнился новыми приборами — дверными видеоглазками, телекамерами наблюдения за
территорией или объектом и пр. Отсюда вытекает необходимость в устройстве, способном управлять
по заданной программе включением—выключением прибора, причем желательно без их переделки.
2.2 Основание для разработки
Изделие разрабатывается в соответствии с учебным планом специальности «Вычислительные
машины, комплексы, системы и сети», утверждённым учебно-методической комиссией кафедры
ВСТ.
Разработка производится по теме «Разработка модуля цифрового устройства»
2.3 Источник разработки
Источником разработки является Журнал «Радио» выпуск №1 за 2003 год, откуда была взята
схема. Аналогами разрабатываемого устройства могут являться существующие устройства входящие
в состав современных средств системы видеонаблюдения Циклоп-2, Циклоп-3.
2.4 Технические требования и условия эксплуатации
2.4.1 Состав изделия
1) Печатная плата с элементами
2) Корпус
3) выносной ИК излучатель
4) Блок управления устройством
5) Блок питания
2.4.2 Технические параметры
1) Пять режимов работы:
а) «Программирование».
В данном режиме осуществляется программирование устройства.
б) «Тест».
Режим «Тест» предназначен для отладки и проверки программы.
в) «Работа»
Режем «Работа» является основным режимом работы устройства.
г) «Активный»
Активируется при приходе импульса на вход, для которого определена программа. В режим
«Активный» устройство начинает выполнять программу, определенную для данного входа.
в) «Параметр»
В данном режиме задаются различные параметры определяющие работу устройства.
2) Улавливаемая частота: 42-45кГц
3) Блок питания: переменное входное напряжение от 90 до 260 В, выходное напряжение блока
питания 12 В
2.4.3 Требования к надёжности
1). Вероятность безотказной работы за 24 часа p=0,998;
2). Наработка на отказ не менее 1500 часов;
3). Средний срок службы не менее 2 лет.
2.4.4 Требования по стандартизации и унификации
Коэффициент унификации и стандартизации не менее 80%
2.4.5 Конструктивные требования
1) Изделие представляет собой плату, которая предполагает работу в защитном корпусе.
2) Габаритные размеры изделия – не более 200 x 50 x 200 мм
3) Масса изделия должна быть не более 1,2 кг.
2.4.6 Условия эксплуатации
 Объект размещения: Группа 1 – Стационарные, работающие в отапливаемых помещениях.
 Группа по климатическому исполнению: О – Общеклиматическое исполнение для суши.
 Категория изделия по воздействию климатических факторов: 4 – Эксплуатация в
помещениях с искусственным климатом
 Тип производства: массовое
2.4.7 Требования безопасности
 Все внешние элементы технических средств, находящиеся под напряжением, должны иметь
защиту от случайного прикосновения. Изделие должно отвечать требованиям электрической
безопасности.
 Общие требования пожарной безопасности должны соответствовать нормам на бытовое
электрооборудование. В случае возгорания не должно выделяться ядовитых газов и дымов.
После снятия электропитания должно быть допустимо применение любых средств
пожаротушения.
 Факторы, оказывающие вредные воздействия на здоровье со стороны всех элементов
системы, не должны превышать действующих норм.
 При монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте изделия необходимо руководствоваться
общими требованиями безопасности к аппаратуре низкого напряжения.
2.4.8 Требования к упаковке, маркировке, транспортировке и хранению
Прибор может перевозиться любым видом транспорта. Для транспортировки рекомендуется
отдельная внутренняя и внешняя тара. Для внутренней упаковки использовать воздушно пузырчатую
пленку. Для внешней упаковки использовать картонную коробку. Маркировка изделия должна
содержать товарный знак, заводской номер, условия транспортировки, дату изготовления.
Требования к необходимой защите от ударов при погрузке и выгрузке, чтобы не повредить изделие и
не нарушить его работоспособность. Данное изделие является стационарным, работающим в
отапливаемых помещениях. Не рекомендуется хранить изделие в помещениях, в которых возможно
воздействие агрессивных сред.
2.4.9 Требования к патентной чистоте
Патентная чистота обеспечивается в пределах Российской Федерации.
2.5 Стадия разработки
1) Технические предложения: 1 – 4 недели;
2) Эскизный проект: 5 – 6 недели;
3) Технический проект: 7 – 8 недели;
4) Разработка конструкторской документации: 8 – 12 недели.
2.6 Исполнители
Кульнев Андрей Александрович
2.7 Сроки выполнения по этапам
1) Разработка технического задания – 4-я неделя семестра;
2) Выполнение электрической схемы и перечня элементов – 6-я неделя семестра;
3) Выполнение чертежа печатной платы, сборочного чертежа и спецификации – 8-я неделя
семестра;
4) Выполнение пояснительной записки – 12-я неделя семестра;
5) Защита курсового проекта – 13-я неделя семестра.
3. Анализ технического задания
3.1. Анализ назначения и объекта установки.
Устройство беспроводного дистанционного управления "Циклоп", предназначено для
дистанционного управления бытовой теле- и видеоаппаратурой в составе систем наблюдения и
использования в телевизорах и видеомагнитофонах, DVD-проигрывателях. Задача устройства —
принять и декодировать команды, записать их энергонезависимую память, а затем, получив сигнал
извне, транслировать эти команды в определенной последовательности. Качество работы во многом
зависит от точности приема команд.
Разрабатываемое изделие относится к наземной аппаратуре. В соответствии с размещением на
объекте электронные вычислительные машины поделены на 7 групп. Данное изделие является
стационарным, работающим в отапливаемых помещениях (группа 1). Объект размещения в
основном определяет характер механических воздействий на устройство.
Разрабатываемый конструктивный модуль является конструкций первого уровня и представляет
собой законченное функциональное устройство. Данный модуль должен быть установлен в корпусе,
являющимся конструкцией второго уровня.
3.2. Анализ условий эксплуатации
В соответствии с заданной климатической зоной и категорией изделия (ГОСТ 15150-69)
определяем климатические факторы, воздействующие на изделие (таблица 1,2).
Таблица 1
Климатическое Категория
исполнение
О
4
Рабочая температура
Предельная
температура
верхняя
верхняя
+45
нижняя
+1
+55
Относительная
влажность
нижняя
+1
Среднее
значение
Верхнее
значение
80% при
27°С
98% при
35°С
Таблица 2
Воздействие
Интенсивность дождя
Иней, роса
Выпадение капель
Снег, снежная пыль
Ветер
Пыль
Соляной туман
Плесневые грибки
Исполнение и категория
О, 4 категория
О, 4 категория
О, 4 категория
О, 4 категория
О, 4 категория
О, 4 категория
О, 4 категория
О, 4 категория
Параметр
5 мм\мин.
Механические воздействия, определяющиеся объектом размещения для группы 1 представлены в
таблице 3.
Таблица 3
Воздействующий фактор
Вибрация на одной частоте
Вибрация в диапазоне частот
Одиночные удары
Многократные удары
Падение
Параметры
Группа 1
Частота, Гц.
Ускорение q
Время выдержки, час.
Частота, Гц.
Ускорение q
Время выдержки, час.
Длительность.мс.
Число ударов в 1 мин
Ускорение, q
Общее число ударов
Длительность.мс.
Число ударов в 1 мин
Ускорение, q
Общее число ударов
Высота, мм
2
20
0,5
-
Путем анализа условий эксплуатации устанавливают группу жесткости для печатной платы по
климатическим воздействиям. Согласно ГОСТ 23752-79 для печатных плат устанавливают одну из 4
групп жесткости. Группа жесткости определяется по таблице. При выборе группы жесткости
необходимо учитывать конкретные условия, в которых будет находиться печатная плата внутри
конструкции более высокого уровня. Температура модуля внутри корпуса будет выше, чем
температура окружающей среды, так как в процессе работы изделия выделяется тепло.
Следовательно, при выборе группы жесткости необходимо задаться температурой перегрева внутри
корпуса. ЭВМ и из этих условий определить температуру, которая будет действовать на печатную
плату. Температуру перегрева внутри корпуса для учебных целей взять равной 20 градусам Цельсия.
Печатная плата должна выдерживать влияние следующих основных факторов:


Относительная влажность – 80%
Диапазон температур – +1…+65°С (с учетом перегрева внутри корпуса)
Сопоставляя эти значения с значениями из таблицы 4, определяем, что разрабатываемая
печатная плата должна иметь 2 группу жесткости.
Таблица 4
Воздействующий фактор
Верхнее значение
температуры, градусы
Цельсия
Нижнее значение
температуры, градусы
Цельсия
Относительная влажность, в %
1
Группа жесткости печатной платы
2
3
4
55
85
100
120
-25
-40
-60
-60
75
98
98
100
В зависимости от назначения, объекта установки изделия и условий эксплуатации
определяем приоритеты при конструировании:
-надежность
-габариты
4. Анализ электрической принципиальной схемы.
4.1. Выявление особенностей электрической схемы, влияющих на конструкцию печатной
платы.
Данная электрическая схема является гибридной, т.е. имеет как аналоговые, так и цифровые
элементы. Возможности самовозбуждения отсутствуют, нет критичности к длине связей.
Теплонагруженными элементами на данной схеме являются пассивные элементы и
полупроводниковые приборы.
Особого подхода при проектировании связей требуют цепи земли и питания.
Выявляют особенности схемы, усложняющие конструкцию: аналоговая, цифровая, имеется ли
возможность самовозбуждения, максимальная тактовая частота, высокая чувствительность, высокий
коэффициент усиления и прочее.
Выявляют цепи, требующие особого подхода при проектировании связей:
-входные и выходные цепи,
-шины «земля» и «питание»,
-высокочастотные и импульсные цепи и прочее.
Объединяют данные цепи в классы.
Выявляют последовательность отдельных каскадов схемы. Эту последовательность
рекомендуется учитывать при размещении компонент на печатной плате.
Выявляют теплонагруженные компоненты, чувствительные к помехам, пути возможных
паразитных связей.
4.2. Выбор электрического соединителя (разъёма)
Разрабатываемый модуль предполагает соединение с кабелями, идущими от других и к другим
устройствам, поэтому для осуществления данных связей необходимо будет использовать
соединитель СНО51 на 10 контактов. Низкочастотные прямоугольные соединители (СНО51)
объемного и печатного монтажа предназначены для работы в электрических цепях постоянного,
переменного и импульсного токов. Данный тип соединителя был выбран исходя из его технических
характеристик, в частности, допустимое напряжения и ток, условия эксплуатации. минимальная
наработка на отказ. Все технические характеристики для соединителя CHO представлены в таблице
ниже:
Параметры
Всеклиматическое исполнение
Количество контактов
Номинальное напряжение:
при шаге 2,5мм
при шаге 3,75
Сила электрического тока на один контакт:
при шаге 2,5мм
при шаге 3,75
Сопротивление контактов
Сопротивление изоляции
Смена температур
Минимальная наработка
Количество сочленений-расчленений
Усилия расчленения соединителя
Значения
4, 8, 10, 20, 30, 40, 60
250В
400В
1А
2А
10мОм
5000 мОм
от –600 С до +1000 С
10000ч
500
86Н
4.3. Исключение из схемы отдельных компонент
В исходной принципиальной электрической схеме присутствуют элементы, которые
целесообразно вынести на субпанель. Этими элементами являются переключатели для управления
работой устройства. Также было принято решение вынести ИК излучатели за пределы модуля.
Благодаря этому можно будет установить устройство в одном месте и управлять аппаратурой,
находящийся в другом месте, с помощью ИК излучателей установленных напротив аппаратуры.
4.4. Расчёт электрических режимов работы схемы.
Сопротивление изоляции 20 МОм.
Максимальное напряжение в схеме 𝑈𝑑 = 12 𝐵
Максимально допустимое падение напряжения 𝑈𝑑 = 0.1 ∗ 𝑈𝑝 = 1.2 𝐵
Вычисляют ток питания и рассеиваемую мощность.
Определяют электрические параметры схемы, которые необходимы при расчете элементов
печатного монтажа:
- максимально допустимое падение напряжение: Up (для цифровых схем до 10% от питания,
для прецизионных аналоговых схем, для которых падение напряжения в линиях связи может
привести к ошибкам в работе, падение напряжения берется не более 1% от питания).
-максимально допустимый ток в статике и динамике: Imax, Imax d. Ток во время переключения
логических элементов на порядок больше тока в статике. Для его расчета необходимо выявить в
схеме максимальное количество одновременно переключаемых цифровых элементов, увеличить их
ток потребления по сравнению со статическим режимом в 10 раз. Помехи, которые возникают в
цепях питания и управления, как правило, определяются токами в динамическом режиме работы
цифровых схем;
-максимальную тактовую частоту: F max,
-сопротивление изоляции (берется для прецизионных аналоговых схем -20-30 Мом, для
цифровых схем 10-20 Мом).
-максимальное напряжение в схеме: Ud.
4.5. Установка фильтрующих конденсаторов
В исходной принципиальной электрической схеме уже присутствуют конденсаторы,
исключающие помехи между шинами «питание» и «земля». Установку дополнительных
фильтрующих конденсаторов производить не нужно. Кроме того, питание на микросхемы подается
через стабилитрон Д814А средней мощности, сплавной, кремниевый. Основное назначение стабилизация напряжений в диапазоне от 7 до 14 В. Диапазон токов стабилизации 3-40 мА.
5. Анализ элементной базы.
5.1 Сбор информации об элементной базе.
Разрабатываемое изделие является цифро-аналоговым. Электрическая схема включает в себя
следующие компоненты:
1. Микроконтроллер АТ89С52-16PI (1 шт.)
2. Четыре логических элемента «2ИЛИ-НЕ» К561ЛЕ5
3. Однокристальный фотоприемник TSOP1736 (1 шт.)
4. Резистор МЛТ-0,125 (32 шт.)
5. Электролитический конденсатора К50-35 (4 шт.)
6. Низковольтный монолитный конденсатор K10-43 (6 шт.)
7. Транзистор биполярный, малой мощности и высокой частоты КТ315 (2 шт.)
8. Индуктивность EC24-101K (1 шт.)
9. Кварцевый резонатор HC49S (1 шт.)
10. Кремниевый, сплавной стабилитрон средней мощности Д814А (1 шт.)
11. Цифровой светодиодный индикатор DA56-21-EWA (1 шт.)
12. Стабилизатор электрического напряжения DA 7805 (1 шт.)
13. Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ ST24C08 (1 шт.)
14. Транзисторная оптопара АОТ128А (1 шт.)
15. Контактный разъем CHO 51-10 (1 шт.)
№
1
Тип
компонента
Микроконтролле
р АТ89С52-16PI
Символ на ЭС
Конструкция, тип корпуса
Примечание
2
Микросхема
К561ЛЕ5
3
Однокристальны
й фотоприемник
TSOP1736
4
Резистор МЛТ0,125 Вт
5
Электролитичес
кий
конденсатора
К50-35
6
Низковольтный
монолитный кон
денсатор K10-43
7
Транзистор
биполярный
малой мощности
и высокой
частоты КТ315
8
Индуктивность
EC24-101K
9
Кварцевый
резонатор
HC49S
10
Кремниевый,
сплавной
стабилитрон
средней
мощности
Д814А
11
Цифровой
светодиодный
индикатор
DA56-21-EWA
12
Стабилизатор
электрического
напряжения DA
7805
13
Электрически
стираемое
перепрограммир
уемое ПЗУ
ST24C08
14
Транзисторная
оптопара
АОТ128А
15
Контактный
разъем CHO
51-xx
Предельные нижние и верхние рабочие температуры компонентов:
1) АТ89С52-16PI
2) К561ЛЕ5
3) TSOP1736
4) МЛТ-0,125
5) К50-35
6) K10-43
7) КТ315
8) EC24-101K
9) HC49S
10) Д814А
11) DA56-21-EWA
12) DA 7805
(-40…+85° C)
(-10…+70° C)
(-25…+85° C)
(-60…+125° C)
(-40…+105° C)
(-60…+ 125°C)
(-45 +100°C)
(-20…+100° C)
(-20…+70° C)
(-60…+125° C)
(-40…+85° C)
(0…+ 150°C)
13) ПЗУ ST24C08
14) АОТ128А
15) CHO 51-10
(-40…+125° C)
(-45…+85° C)
(-60…+100° C)
Согласно приведенным выше данным и анализу условий эксплуатации, выбранные компоненты
можно применять для разрабатываемого устройства.
5.2.Анализ компонент, усложняющих конструкцию электронного модуля.
Анализ электрической схемы выявил, что компонентов усложняющих конструкцию нет.
5.3. Анализ типа выводов компонент и способов монтажа на печатную плату.
При анализе элементов схемы было выявлено, что используемые элементы имеют
следующие типы выводов:
1. гибкие, устанавливаемые в отверстия.
2. штыревые с заданным шагом установки.
5.4. Анализ размеров между выводами компонент и подготовка информации для выбора
шага координатной сетки.
Так как элементы со штыревыми выводами с заданным шагом установки имеют шаг
установки преимущественно кратный 1.27, то все компоненты схемы можно разместить на
сетке с шагом 1.27 мм. Небольшое число компонентов с шагом между выводами кратным 1.25
будут помещаться первым выводом в узел сетки.
5.5. Расчет конструктивной сложности электронного модуля.
Рассчитаем конструктивную сложность электронного модуля на основание следующих
оценок для разных компонент в условных единицах:
 микросхема до 14 выводов – 1 у.е.,
 микросхема от 15 до 24 выводов – 1,5 у.е.,
 микросхема свыше 24 выводов -2 у.е.
 дискретные компоненты (любые кроме микросхем) – 0,1 у.е. на один вывод.
После расчета сложности электронного модуля нужно отнести его к одной из следующих
категорий сложности:
 малая сложность - менее 15 условных единиц,
 средняя сложность - 15-100 условных единиц,
 высокая сложность - более 100 условных единиц.
Анализ электрической схемы показал, что сложность разрабатываемого модуля равняется
16,9 у.е., следовательно разрабатываемый электронный модуль относится к средней категории
сложности. Что удовлетворяет заданному условию (сложность > 15 у.е.).
6. Разработка конструкции модуля
6.1. Эскизная проработка конструкции 2-го уровня.
Разрабатываемая конструкция является конструктивным модулем 1-го уровня, который
должен устанавливаться в конструкцию более высокого уровня. В данном разделе необходимо
представить модель конструкции всего изделия, указав все составные части и выделив в этой
модели электронный модуль, разрабатываемый в данном проекте.
Привести эскиз конструкции 2-го уровня, в которую будет устанавливаться
разрабатываемый электронный модуль. Размеры в эскизе можно указать приблизительно или
не указывать. Эскиз выполняется в виде рисунка в пояснительной записке в 2D или 3D
формате. Детализация в эскизе должна быть такова, чтобы были отражены все составные части
изделия. Особое внимание уделить разрабатываемому электронному блоку. Выбор
конструкции 2-го уровня должен быть проведен с учетом требований по геометрической
компоновке, а именно:
-выбрана форма конструкции в целом и составных частей,
-выбрана компоновочная схема,
-выбраны способы перемещения конструкций относительно друг друга,
-оценены геометрические размеры ориентировочно.
При выборе конструкции учесть размещение электрических соединителей на составных
частях, соединительных кабелей, технологичность при монтаже, демонтаже, возможность
визуального контроля. Обратить внимание на удобное размещение органов управления,
индикации и контроля, а также на дизайн изделия.
На этом этапе конструирования должны быть оговорены требования к конструкции 2-го
уровня, а именно: требования по защите от климатических воздействий, механических
воздействий, воздействия полей, радиации и прочее. Необходимо также задать температуру
возможного перегрева корпуса, например 10-20 градусов Цельсия.
6.2. Выбор способа размещения и закрепления цифрового модуля в конструкции 2-го
уровня
Способ закрепления модуля в конструкции 2-го уровня определяется видом механических
воздействий на конструкцию. При наличии вибраций, ударов необходимо предусмотреть меры
по надежному закреплению модуля. В этом случае необходимо применять жесткое закрепление
со всех четырех сторон. Если механические нагрузки незначительны или отсутствуют, то
может применяться смешанное закрепление: опертый край и жесткий край. В этом пункте
пояснительной записки при необходимости проводится расчет конструкции на механическую
прочность. Для защиты от механических воздействий необходимо предусмотреть
амортизаторы. При необходимости привести в записке эскиз, поясняющий способ закрепления
разрабатываемого модуля в конструкции 2-го уровня.
6.3. Обоснование и выбор конструкции цифрового модуля.
В состав конструкции модуля 1-го уровня могут входить следующие элементы:
-каркас,
-монтажная плата,
-субпанель,
-соединитель,
-компоненты,
-элементы закрепления модуля.
-элементы закрепления компонент,
-элементы для охлаждения конструкции и компонент.
На данном этапе разработки исходя из конкретных конструктивных требований
необходимо выбрать состав конструкции. Необходимо привести обоснование выбора
бескаркасного исполнения либо применение каркаса для модуля. Необходимо также
обосновать применение субпанели, её расположение на модуле с учетом общего вида
конструкции и с учетом необходимого доступа к органам управления, контроля и индикации.
6.4.Разработка каркаса
Каркас выполняется в виде рамки, на которую устанавливается печатная плата. В качестве
материала используют листы и профили из алюминиевых сплавов и стали. При использовании
листового материала из алюминиевого сплава, толщину листа выбирают 2-5 мм. При
использовании листовой стали используют листы толщиной от 0,5 до 2 мм. Для жесткости
каркаса используют профили: Г, Т, П -образные либо более сложные. Печатная плата крепится
к каркасу с помощью винтов, гаек, шайб. На каркас должен быть разработан чертеж детали,
который в проекте представляется в виде эскиза в пояснительной записке.
6.5. Разработка субпанели.
Субпанель необходима для размещения органов управления, элементов индикации,
коммутации, контроля. Для обеспечения контролепригодности и ремонтопригодности должен
быть обеспечен хороший доступ к перечисленным элементам. Субпанель может быть
выполнена из алюминиевого уголка и закреплена на плате винтами. Субпанель и каркас могут
быть исполняться, как одна деталь. В тоже время, субпанель может присутствовать и при
бескаркасном исполнении модуля. В этом случае она разрабатывается, как самостоятельная
деталь и на неё должен быть разработан чертеж детали. Чертеж детали в проекте
представляется в виде эскиза в пояснительной записке.
ВНИМАНИЕ: если в конструкции применяется субпанель, на которую выносится часть
компонент, то необходимо определить способ электрического соединения этих компонент с
остальной схемой. Может быть применено два варианта:
1. объемный монтаж, в этом случае на печатной плате предусматриваются монтажные
отверстия под объемные проводники,
2. монтаж с помощью ленточного кабеля, в этом случае на печатной плате устанавливается
дополнительный разъем.
6.6.Элементы закрепления модуля и закрепления компонент.
Для закрепления модуля в конструкции 2-го уровня используют винты, защелки. Если
используются уникальные элементы закрепления, то для них должны быть разработаны
чертежи детали. Если используются винты, то могут применяться стандартные изделия (Винты,
гайки, шайбы). Для уменьшения влияния механических нагрузок на модуль при креплении
модуля к конструкции 2-го уровня используют элементы амортизации, например резиновые
амортизаторы в виде специальных шайб. Для конструкций, применяемых в условиях
механических нагрузок, необходимо предусмотреть закрепление на плате массивных
компонент. В качестве элементов закрепления компонент применяют винты, скобы,
уникальные крепежные изделия. Закрепление компонент выполняется также путем
приклеивания корпуса электрорадиоэлемента к плате. В проекте необходимо выбрать
компоненты, требующие закрепления на плате. Обратить внимание, что некоторые
компоненты, например трансформаторы, дроссели, мощные транзисторы должны закрепляться
на плате согласно техническим условиям на них. Как правило, соединители закрепляются на
плате винтами.
6.7. Элементы для охлаждения конструкции и компонент.
Для охлаждения конструкции в целом устанавливаются кулеры (вентиляторы). Обычно они
устанавливаются в конструкциях 2-го уровня, но могут быть случаи, когда требуется установка
кулера на плату, например для охлаждения процессора. Для охлаждения отдельных компонент
(мощных транзисторов, тиристоров, диодов и прочее) устанавливают радиаторы. Радиаторы
одновременно выполняют функцию закрепления компонента на плате. Радиаторы крепятся к
плате как правило винтами или клеем. Иногда применяют теплоотводящие шины, например
медные пластинки, которые к плате приклеивают клеем.
ВНИМАНИЕ: Если в конструкции электронного модуля применяются каркас, субпанель,
уникальные элементы крепления модуля и компонент, уникальные элементы для охлаждения
конструкции и компонент, то на них необходимо разработать чертежи деталей (допускается
дать эскизы в пояснительной записке с указанием исполнительных размеров). В сборочном
чертеже на конструкцию модуля эти детали должны быть показаны.
7. Разработка печатной платы
Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации
процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает
повторяемость параметров монтажа (емкость, 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. Система
печатных проводников и электрорадиоэлементов, нанесенных на изоляционное основание,
образует печатную cxeму.
7.1.Выбор компоновочной структуры и типа печатной платы.
Компоновочная структура ПП определяется элементной базой и способом монтажа
компонент при установке на печатную плату.
На печатную плату компоненты могут размещаться на одну или две стороны, а сами
компоненты могут монтироваться в отверстия или на поверхностные площадки.
В соответствии со стандартом все компоновочные схемы разбиты на типы и классы.
Тип1- компоненты устанавливаются на одну сторону.
Тип 2 –компоненты устанавливаются на две стороны ПП.
Класс А – компоненты монтируются в отверстия,
Класс Б – компоненты монтируются на поверхностные площадки,
Класс С – смешанный монтаж.
В соответствие с приоритетными требованиями к изделию и имеющейся элементной базой
выберем компоновочную схему 1А. Это означает, что компоненты монтируются на одну
сторону ПП в отверстия.
По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные и многослойные.
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.
Тип печатной платы, который будет использоваться – ДПП. Данный тип печатной платы
был выбран исходя из следующих факторов:
- Исходя из выбранной компоновочной схемы 1А, для которой целесообразно применять
ОПП или ДПП
-Функциональная сложность цифрового модуля. У нас средняя сложность, для которой
применяют ДПП или МПП.
- Возможность реализации практически любой электрической схемы
7.2. Выбор класса точности ПП.
По российским стандартам (ГОСТ 23751-86) существует 5 классов точности выполнения
элементов печатного монтажа.
Таблица 11
Условные
обозначения
элементов
печатного монтажа
t (мм)
S (мм)
b (мм)
d\H
t vo
(мм) без
Класс точности
1
0,75
0,75
0,30
0,4
+0,15
2
0,45
0,45
0,20
0,4
+0,10
3
0.25
0.25
0,10
0,33
+0,05
4
0,15
0,15
0,05
0,25
+0,03
5
0,10
0,10
0,025
0,20
+0.03
покрытия
t no (мм) без
покрытия
t vo (мм) с
покрытием
t no (мм) с
покрытием
Tt (мм)
-0,15
-0,10
-0,05
-0,03
-0.03
+0,25
+0,15
+0,10
+0,05
+0,03
-0,20
-0,10
-0,10
-0,05
-0,03
0,20
0,10
0,05
0,03
0,02
t- наименьшая номинальная ширина проводника,
S-наименьшее номинальное расстояние между проводниками,
b-минимально допустимая ширина контактной площадки,
d\H-отношение минимального диаметра контактной площадки к толщине платы,
t vo (мм) –верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной
площадки от номинального значения,
t no (мм) - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной
площадки от номинального значения,
Tt - позиционный допуск на размещение проводника.
Указанные допустимые значения необходимо соблюдать в узких местах платы. Узкое место
ПП- это участок ПП, на котором элементы печатного проводящего рисунка выполняются с
минимально допустимыми значениями. На остальных участках ширина печатных проводников
и расстояния между ними могут выполняться большего размера, чем указанный размер по
данному классу.
Выберем класс точности 3, исходя из следующих критериев:
-конструктивная сложность (для малой и средней сложности выбирают 1-3 классы
точности, для высокой сложности -3-5 классы точности). У нас средняя конструктивная
сложность, поэтому должны выбирать из диапазона 1-3.
-элементная база (наличие БИС, СБИС, бескорпусных микросхем требует применения 3-5
классов точности). У нас имеется БИС, поэтому должны выбирать класс точности из диапазона
3-5.
Объединяя два выбранных диапазона, мы получаем требуемый класс точности 3.
7.3. Расчет габаритов ПП
Расчет габаритов ПП ведется в несколько этапов. Сначала выявляются конструкторско –
технологические зоны на печатной плате для размещения разных элементов, потом
определяются размеры этих зон и выполняется их компоновка на плоскости печатной платы.
После компоновки выбираются габаритные размеры платы в соответствии с требованиями
стандарта. После этого осуществляется размещение компонент на ПП. После размещения
компонент при необходимости проводится корректировка габаритных размеров ПП.
На ПП могут быть следующие зоны:
-зона для размещения компонент,
-зона для размещения соединителя,
-зона для размещения элементов контроля функционирования.
-зона для размещения элементов крепления модуля,
-зона для маркировки,
-краевые поля ПП.
Зона для размещения компонент.
1. Микроконтроллер АТ89С52-16PI (1 шт.)
2. Четыре логических элемента «2ИЛИ-НЕ» К561ЛЕ5
3. Однокристальный фотоприемник TSOP1736 (1 шт.)
4. Резистор МЛТ-0,125 (32 шт.)
5. Электролитический конденсатора К50-35 (4 шт.)
6. Низковольтный монолитный конденсатор K10-43 (6 шт.)
7. Транзистор биполярный, малой мощности и высокой частоты КТ315 (2 шт.)
8. Индуктивность EC24-101K (1 шт.)
9. Кварцевый резонатор HC49S (1 шт.)
10. Кремниевый, сплавной стабилитрон средней мощности Д814А (1 шт.)
11. Цифровой светодиодный индикатор DA56-21-EWA (1 шт.)
12. Стабилизатор электрического напряжения DA 7805 (1 шт.)
13. Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ ST24C08 (1 шт.)
14. Транзисторная оптопара АОТ128А (1 шт.)
15. Контактный разъем CHO 51-10 (1 шт.) --его в следующем пункте
При расчете площади, занимаемой компонентом, берется площадь прямоугольника,
включающая корпус элемента и монтажные площадки. Площадь определяется по формуле:
si  ( L  1) i  ( Bi  1)
Где Li и Bi
стороны прямоугольника (в мм).
S1=15,4*53,6=825,44
S2=21*7,35=154,35
S3=6,8*11=74,8
S4=14,4*52,6=757,44…..
S5=14,4*52,6=757,44…….
S6=(11*6)*4=264
S7=(8,2*4)*2=65,6
S8=8,62*4=34,48
S9=12,05*5,7=68,68
S10=8*16=128
S11=26*20,05=521,3
S12=11 *5,5=60,5
S13=10,9*7=76,3
S14=7,6*10,9=82,84
S15=28,5*6=171
Площадь зоны рассчитывается по формуле:
n
S   k S  si
i
Sзоны=2,5 * посчитать
Где
k s
Si
-установочная площадь i элемента.
-коэффициэнт, зависящий от типа кострукции платы и приоритетных требований к
конструкции. Он выбирается в интервале (1…3). Для ОПП берется в интервале (2…3), для ДПП
– в интервале (1,5 …2,5), для МПП в интервале (1…2). При приоритетных требованиях:
минимальные габариты его следует взять меньше.
n-количество компонент.
Зона для размещения соединителя определяется исходя из габаритов соединителя и
краевых полей для соединителя. Дело в том, что около соединителя со стороны подвода
печатных проводников обычно создается высокая концентрация печатных проводников,
особенно для соединителей с большим числом контактов. Для этого необходимо с данной
стороны соединителя предусмотреть поле с расстоянием до зоны размещения компонент 10-20
мм. Расчет площади зоны для соединителя с прямоугольным корпусом осуществляется по
формуле:
S с  ( Lс  20)  ( Bс  10) для разъёма, размещаемого на краю платы
S с  ( Lс  20)  ( Bс  20) для разъема, размещаемого внутри площади платы.
Где Lc и Bc габаритные размеры соединителя.
Sс=(27,5+20)*(5+10)=712,5
Зона для элементов управления и контроля функционирования. Если элементы
управления и функционирования размещаются на субпанели, то площадь определяется
площадью, необходимой для установки субпанели. Предположим, что субпанель выполняется в
виде уголка с размером Lп*Hп, где Lп длина уголка, а Hп –ширина уголка. Тогда площадь с
учетом краевого поля в 5 мм будет равна:
S п  Lп  ( H п  5)
Если в качестве элементов управления и контроля используются отдельные колодки,
контакты и прочее, то площадь для их установки учитывается при расчете площади для
установки компонент.
Зона для размещения элементов крепления модуля
Элементы крепления модуля –это винты , защелки зоны для установки в направляющие,
если используется выдвижная конструкция. Размеры зон выбираются по формуле
S  S кр  S поля
Где Sкр площадь элемента крепления
Sполя - площадь краевого поля, которая берется по периметру площади, занимаемой
элементом крепления. Ширина краевого поля берется равной 5 – 7,5 мм
Зона для маркировки
Маркировка может наноситься в зоне для установки компонент. Как правило, это делается
для маркировки позиционных обозначений компонент, их номиналов, типа компонента. В
отдельную зону обычно выделяют маркировку децимального номера ПП. Размеры поля
определяются количеством знаков в обозначении и размером шрифта.
Краевые поля ПП.
Краевые поля ПП это поля по периметру платы, на которых не могут размещаться
элементы печатного монтажа. Краевое поле зависит от толщины платы и выбирается в
интервале:
Для плат толщиной до 1мм -2,5 – 5 мм. Для плат с толщиной от 1 до 2 мм -5 – 7,5 мм.
Примечание: на краевых полях могут размещаться зоны для крепления модуля, для
соединителя и для маркировки.
Компоновка конструкторско-технологических зон.
После расчета всех зон необходимо их скомпоновать на площади платы. Компоновку
необходимо начать с зоны для размещения компонент постепенно подсоединяя к ней
остальные зоны. При компоновке зон необходимо учитывать конструктивные особенности
модуля и его способ закрепления в конструкции 2-го уровня. После компоновки необходимо
определить габаритные размеры ПП. Размер ПП следует выбрать с учетом следующих
требований ГОСТ:
-соотношение длины к ширине не более 3,
-размер по ширине рекомендуется выбирать из ряда: 20, 30, 40, 45, 50, 60, 75, 80, 90, 100,
110, 120, 130, 140,150, 160, 170, 200 мм.
7.4.Определение толщины ПП
Толщину ПП выбирают в зависимости от конструктивных технологических особенностей и
механических нагрузок: вибраций и ударов при эксплуатации и транспортировке, которые
могут вызвать механические перегрузки и привести к деформации и разрушению ПП.
Была выбрана толщина платы 1,5 мм из следующих условий:
- Толщину платы рекомендуется выбирать из предпочтительного ряда значений толщины
для ОПП и ДПП. Предпочтительными являются значения: 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. для
стеклотекстолита и 1,0; 1,5; 1,0; 3,0 мм для гетинакса.
- Отношение минимального диаметра отверстия к толщине должно быть не менее
величины установленной стандартом для данного класса. Например, для 3-го класса точности
это отношение должно быть не менее 0,33. Для качественной металлизации отверстий
рекомендуется отношение для всех классов брать не менее 0,4.
!!!!!!!!!!!!!!! Минимальный диаметр отверстия – 0,4+0,2=0,6. Отношение
минимального диаметра отверстия к толщине – 0,4. Для третьего класса точности
условия 0,4>0,33 верно.
7.5.Выбор метода изготовления ПП.
Для изготовления ДПП используют следующие технологические процессы:
-комбинированный позитивный,
-комбинированный негативный,
-аддитивный,
-фотоформирование,
-электрохимический,
-тентинг процесс.
Выбор технологического процесса определяется исходя из:
-конструктивной сложности модуля,
- класса точности,
-уровня модульности,
-уровнем технологического оснащения на производстве,
-типом производства (мелкосерийное, серийное. массовое).
Было принято решения использовать комбинированный позитивный метод изготовления
ПП на основе следующей информации:
- Для средней и высокой конструктивной сложности применяют комбинированные методы
изготовления печатных плат.
- Для 3-4 классов точности используют комбинированные методы
- Для массового производства используют, как правило, комбинированные методы.
7.6. Выбор материала основания ПП.
При выборе материала основания ПП необходимо учесть:
-тип конструкции ПП (ОПП, ДПП, МПП)
-класс точности,
-механические воздействия,
-климатические воздействия,
-требования к электрическим параметрам печатной платы,
-технологию изготовления ПП.
-стоимость,
Основными материалами для изготовления ПП применяются фольгированные диэлектрики.
В качестве изоляционного основания применяют гетинакс, стеклотекстолит, полиамид.
Было принято решение использовать фольгированный стеклотекстолит СФ-1-35.
Стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35 применяется в радиотехнике, приборостроении,
электронике для изготовления обычных и многослойных печатных плат. Предельно
допустимая температура от -60°С до +105°С. Имеет очень высокие механические и
электроизоляционные свойства, хорошо поддается механической обработке резкой,
сверлением, штамповкой. Данный фольгированный материал является односторонним с
толщиной фольги 35 мкм. Данный материал может быть использован при применении
комбинированного позитивного метода изготовления ПП.
7.7. Расчет элементов печатного рисунка.
При конструировании ПП одной из важных задач является расчет размеров элементов
печатного рисунка. Это размеры печатных проводников, размеры контактных площадок,
размеры краевых полей, расстояния между элементами печатного рисунка. От этих параметров
зависят электрические характеристики ПП.
От ширины печатного проводника зависят максимальный ток через проводник, падение
напряжения, взаимная емкость между проводниками, волновое сопротивление. От длины
проводника зависят собственная и взаимная индуктивность, падение напряжения на
проводнике, помехоустойчивость. От расстояния между проводниками или контактными
площадками зависит величина тока утечки, взаимная емкость, взаимная индуктивность,
максимальное напряжение пробоя.
Кроме этого размеры элементов печатного монтажа зависят от класса точности
изготовления ПП. Следовательно, при их расчете с одной стороны необходимо выполнить
требования, установленные классом точности, с другой стороны - требования обусловленные
достижением необходимых электрических характеристик. Необходимые электрические
характеристики были выявлены при анализе электрической схемы. Это следующие параметры:
- Imax – максимально допустимый ток, который может быть в цепях электрической схемы.
В основном это касается шин питания и отдельных выходных шин компонент с высокой
мощностью.
-Imax d - максимально допустимый ток, который может быть в цепях электрической схемы
в динамическом режиме. Он возникает в момент одновременного переключения большого
числа элементов и характерен для цифровых схем. В момент переключения ток в цепях
питания и в цепях управления возрастает в десятки раз, но длится короткое время (единицы или
доли наносекунд). Именно эти токи опасна, так как создают помехи в цепях управления и
питания.
-Up- падение напряжения на печатном проводнике. Оно может быть задано для
статического и динамического режима. Для цифровых схем задается допустимое падение
напряжения в динамическом режиме и для логических элементов должно составлять не более
10% от питающего напряжения. Для прецизионных аналоговых схем падение напряжения
должно составлять от питания не более 1%.
-Ud- допустимое напряжение между двумя проводниками. Оно зависит от расстояния
между проводниками, материала изоляционного основания и условий эксплуатации.
Рассчитывается по таблице.
Расчет диаметра отверстия контактной площадки.
Диаметр рассчитывается с учетом диаметра вывода компонента, точности
позиционирования отверстия, и необходимого зазора для обеспечения свободной установки
вывода компонента при монтаже.
d  d e  r  d no
d e -максимальное значение диаметра вывода компонента
где:
r- зазор (разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным
значением диаметра вывода). Зазор выбирается конструктором для ручного монтажа из
интервала (0,1-0.3) мм, а для автоматизированного монтажа и установки компонент – из
интервала (0,3 – 0,4) мм.
d no
- нижнее предельное отклонение диаметра отверстия.
d no
Погрешность
возникает при изготовлении ПП и зависит от технологии изготовления
ПП. Если отверстие без металлизации, то погрешность возникает при сверлении и имеет
равные отклонения в плюс и минус. Если отверстия металлизируются, то допуски смещаются в
минус примерно на 0,05 мм. Если согласно технологии осуществляется оплавление сплавом
олово – свинец, то допуск сместится в минус еще примерно на 0,03 мм. В таблице 13
d no
d
приведены допуски vo в плюс и
в минус для пяти классов точности. ВНИМАНИЕ: Для
расчёта диаметра отверстия использовать значение допуска из таблицы 13 в минус, так как
именно уменьшение диаметра опасно (вывод компонента может не стать в отверстие).
Диаметр
отверстия
До 1,0
мм
Наличие
металлизации
и оплавления
Без
металлизации
включит
ельно
Свыше
1,0 мм
С
металлизацие
й, без
оплавления
С
металлизацие
йи
оплавлением
Без
металлизации
С
металлизацие
й, без
оплавления
С
металлизацие
йи
оплавлением
Таблица 13
Предельные отклонения диаметра отверстия
1
2
3
4
клас
с
+
0,10
0,10
+
0,05
0,15
+
0,05
0,18
+
0,15
0,15
+
0,10
0,20
+
0,10
0,23
клас
с
+
0,10
0,10
+
0,05
0,15
+
0,05
0,18
+
0,15
0,15
+
0,10
0,20
+
0,10
0,23
5
класс
клас
с
+
0,05
0,05
0
клас
с
+
0,05
0,05
0
+
0,025
0,025
0
0,10
0
0,10
0
0,075
0
0,13
+
0,10
0,10
+
0,05
0,15
+
0,05
0,18
0,13
+
0,10
0,10
+
0,05
0,15
+
0,05
0,18
0,13
+
0,10
0,10
+
0,05
0,15
+
0,05
0,18
После расчета значение диаметра округляется в большую сторону до 0,1 мм. Диаметр
отверстия выбирается из предпочтительного ряда диаметров отверстий: 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;
1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0.
После выбора конкретного размера диаметра необходимо проверить условие:
d  H *
где H – толщина ПП,
 -коэффициент, определяемый классом точности. Если соотношение не выполняется, то
диаметр увеличивают.
1. Микроконтроллер АТ89С52-16PI
d≥0,6+0,3+0,13 d≥1,1
2. Четыре логических элемента «2ИЛИ-НЕ» К561ЛЕ5
d≥0,5+0,3+0,13 d≥1
3. Однокристальный фотоприемник TSOP1736
d≥0,65+0,3+0,13 d≥1,1
4. Резистор МЛТ-0,125
d≥0,6+0,3+0,13 d≥1,1
5. Электролитический конденсатора К50-35
d≥0,5+0,3+0,13 d≥1
6. Низковольтный монолитный конденсатор K10-43
d≥0,6+0,3+0,13 d≥1,1
7. Транзистор биполярный, малой мощности и высокой частоты КТ315
d≥0,2+0,3+0,13 d≥0,7
8. Индуктивность EC24-101K
d≥0,6+0,3+0,13 d≥1,1
9. Кварцевый резонатор HC49S
d≥0,45+0,3+0,13 d≥0,9
10. Кремниевый, сплавной стабилитрон средней мощности Д814А
d≥0,8+0,3+0,13 d≥1,3
11. Цифровой светодиодный индикатор DA56-21-EWA
d≥0,5+0,3+0,13 d≥1
12. Стабилизатор электрического напряжения DA 7805
d≥0,89+0,3+0,13 d≥1,4
13. Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ ST24C08
d≥0,56+0,3+0,13 d≥1
14. Транзисторная оптопара АОТ128А
d≥0,55+0,3+0,13 d≥1
15. Контактный разъем CHO 51-10
d≥0,5+0,3+0,13 d≥1
Рассчитанные диаметры отверстий для всех элементов удовлетворяют условия:
d  H *
H *  =1,5 * 0,33=0,495
Расчет расстояния от среза платы или от не металлизированного отверстия до
элемента печатного рисунка
Расстояние от края платы, от среза платы или от не металлизированного отверстия до
элемента печатного рисунка определяется классом точности и толщиной платы.
Необходимость расчета этого расстояния обусловлена необходимостью задания барьеров для
трассировки.
Это расстояние можно посчитать отдельно для печатного проводника и отдельно для
контактной площадки. С целью унификации выполняется расчет только для контактной
площадки, так как это расстояние оказывается больше, чем для проводника.
Q  q  k  0,5 Td TD2  d vo2
q- величина скола. Определяется по таблице 14,
k -расстояние от скола. Определяется классом точности. Для 1,2 классов принимается
равной 0,3 мм, для 3,4 классов- 0,15 мм , для 5-го класса -0,1 мм.
Td
-позиционный допуск расположения центра отверстия определяется по таблице 16.
TD -позиционный допуск расположения центра контактной площадки определяется по
2
таблице15.
d vo - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, определяется по
таблице 13.
Таблица для определения величины q скола края платы.
Таблица 14
Толщина платы
Класс точности
1
2
3
4
5
До 0,5 мм
0,3
0,3
0,15
0,15
0,1
включительно
0.5-0.8 мм
0,5
0,5
0,2
0,2
0,15
0,8-1,0 мм
0,8
0,8
0,25
0,25
0,2
1,0-1,5 мм
1,0
1,0
0,35
0,35
0,25
1,5-2,0 мм
1,2
1,2
0,5
0,5
0,35
2,0-2,5 мм
1,4
1,4
0,7
0,7
0,5
Таблица для определения позиционного допуска TD центра контактной площадки
Таблица 15
Размер ПП по
Класс точности
большей стороне
1
2
3
4
5
До 180 мм
0,35
0,25
0,15
0,10
0,05
180-360 мм
0,40
0,30
0,20
0,15
0,08
Свыше 360 мм
0,45
0,35
0,25
0,20
0,15
Таблица для определения позиционного допуска
Td центра отверстия
Таблица 16
Размер ПП по
большей стороне
До 180 мм
180-360 мм
Свыше 360 мм
Класс точности
1
2
0,20
0,15
0,25
0,20
0,30
0,25
3
0,08
0,10
0,15
4
0,05
0,08
0,10
5
0,05
0,08
0,10
ВНИМАНИЕ: Если расчётное значение получится менее 5 мм, то целесообразно принять
краевое поле равное 5 мм. При задании правил трассировки краевое поле следует ввести как
барьер трассировки.
Q=0,35+0,15+0,5*√0,0064 + 0,0225 =0,585
---???????????????????????
Расчет диаметра зоны запрета около не металлизированного отверстия. Эта зона
рассчитывается для крепёжных отверстий.
Зона запрета вводится при задании условий для трассировки. Она должна быть не меньше
расчетной.
Dz  dk  d vo  2q  Td  2k
dk- диаметр шайбы или головки крепёжного винта (dk принять равны 2d, где d диаметр
крепёжного отверстия).
Td
-позиционный допуск на отверстие, таблица 16,
d vo
-верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, таблица 13
q – величина скола, таблица 14
k – величина до зоны скола.
При задании правил трассировки около крепёжных отверстий следует ввести барьер
трассировки.
Расчет ширины проводника
При расчете ширины проводника учитывают:
-класс точности,
-допустимый ток нагрузки,
-допустимое падение напряжения.
Ширина проводника выбирается их условия:
t r  max t , t I , tU   t no
Где t r -расчетное значение ширины,
t – минимальная ширина проводника для заданного класса точности (определяется по
таблице 13 )
t I - ширина проводника рассчитанная из условия допустимого тока
tU -ширина проводника, рассчитанная из условия заданного допустимого падения
напряжения,
t no -нижний допуск на ширину проводника (определяется по таблице 13 для заданного
класса точности).
Расчет ширины проводника исходя из условия допустимого тока.
t I  I max / i * h
I max
- Максимальный ток через проводик
i –плотность тока
h –толщина проводника.
Плотность тока определяется материалом проводника:
-для медной фольги -100 А \ кв.мм.
-для гальванической меди -60 А \кв. мм.
-для сплавов олова -10 А \кв. мм.
Толщина проводника определяется выбранным материалом. Толщина фольги обычно равна
35 или 50 мкм, толщина гальванического покрытия -20-25 мкм, толщина покрытия сплавом
олова – 10-15 мкм. При расчете все величины привести к системе единиц СИ.
Расчет ширины проводника исходя из условия допустимого падения напряжения
tU   * I max * l / h * U p
где  -удельное сопротивление слоя металла,
l -максимальная длина проводника на печатной плате,
Up
-допустимое падение напряжения на проводнике.
Удельное сопротивление для медной фольги равно 0,0000000172 Ом\м,
Для гальванической меди -0,000000019 Ом\м,
Для сплава олова -0,00000012 Ом\м.
Максимальная длина проводника принимается равной сумме двух сторон платы.
Допустимое падение напряжения берется равным (1-10)% от питающего напряжения. Для
цифровых схем берется 10%, а для прецизионных аналоговых - не более 1%. Если схема
содержит на одной плате и цифровые и аналоговые микросхемы, то допустимое напряжение
необходимо посчитать как для аналоговых микросхем. В качестве максимального тока для
цифровых микросхем расчет необходимо провести для максимального тока в динамике, а для
аналоговых - в статике. Если схема смешанная, то расчет необходимо провести для
максимального тока в динамике.
Если проводник состоит из нескольких слоев, то расчет вести по формуле:
tU  ( I max * l *   i / hi ) / Up
После расчета выбирают максимальное значение ширины проводника. Данное значение
ширины проводника используют для узких мест. В местах, где возможно ширину проводника
взять больше расчетной, рекомендуется её выбирать с запасом. Ширину шин питания
выбирают не менее 1 мм.
Расчет размеров контактных площадок.
Контактные площадки со сквозными отверстиями обычно имеют круглую форму. Если
форма отличается от круглой, то расчет ведут для окружности, вписываемой в данную форму.
Расчет для контактных площадок со сквозными отверстиями ведется по формуле:
2
D  d  2b  t vo  d vo  TD2  Td2  t no
Где d –диаметр отверстия
b – гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса по таблице,
t vo -верхнее отклонение ширины проводника. Определяется по таблице 11,
d vo -верхнее отклонение диаметра отверстия определяется по таблице 13,
TD - позиционный допуск расположения центра контактной площадки определяется по
таблице15,
Td - позиционный допуск расположения центра отверстия определяется по таблице 16.
t n o
- нижнее отклонение ширины проводника. Определяется по таблице 11
Расчетное значение округляется в большую сторону до 0,1 мм. Внимание, если по
технологии используется зенковка, то вместо диаметра отверстия берется диаметр зенковки.
1. Микроконтроллер АТ89С52-16PI
D=1,1+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,7
2. Четыре логических элемента «2ИЛИ-НЕ» К561ЛЕ5
D=1 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,5
3. Однокристальный фотоприемник TSOP1736
D=1,1+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,7
4. Резистор МЛТ-0,125
D=1,1+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,7
5. Электролитический конденсатора К50-35
D=1 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,5
6. Низковольтный монолитный конденсатор K10-43
D=1,1+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,7
7. Транзистор биполярный, малой мощности и высокой частоты КТ315
D=0,7 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,2
8. Индуктивность EC24-101K
D=1,1+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,7
9. Кварцевый резонатор HC49S
D=0,9 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,4
10. Кремниевый, сплавной стабилитрон средней мощности Д814А
1,3+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,9
11. Цифровой светодиодный индикатор DA56-21-EWA
D=1 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,5
12. Стабилизатор электрического напряжения DA 7805
D=1,4+2*0,1+0,1+0,05+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=2
13. Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ ST24C08
D=1 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,5
14. Транзисторная оптопара АОТ128А
D=1 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,5
15. Контактный разъем CHO 51-10
D=1 +2*0,1+0,1+0+√0,0064 + 0,0225 + 0,01=1,5
Расчет расстояния между элементами печатного рисунка.
Наименьшее расстояние между элементами печатного рисунка определяется по формуле:
S  S min D  t vo  Tt / 2

где vo -верхнее предельное отклонение ширины проводника из таблицы 11,
Tt
- позиционный допуск расположения печатных проводников из таблицы 11,
S min D -минимально допустимое расстояние между элементами печатного рисунка. Это
расстояние определяется приложенным напряжением и условиями эксплуатации. Зная
допустимое напряжение, которое может быть приложено к печатным проводникам, по таблице
17 можно найти данное расстояние.
Таблица 17
Расстоян
Значение допустимого напряжения (В)
ие между
При
При
При пониженном
проводника
нормальных
повышенной
атмосферном давлении
ми (мм)
условиях
температуре
400
5
или
мм\рт.ст.
мм\рт.ст.
повышенной
влажности
Г
С
Г
С
Г
С
Г
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0,1-0,2
2
1
2
5
5
0
0
0,2-0,3
3
5
2
3
2
4
2
0
0
0
0
5
0
0
0
0,3-0,4
1
1
5
1
8
1
3
00
50
0
00
0
10
0
0
0,4-0,7
1
3
1
2
1
1
5
50
00
00
00
10
60
8
0
0,7-1,2
3
4
2
3
1
2
8
00
00
30
00
60
00
0
00
1,2-2,0
4
6
3
3
2
3
1
00
00
00
60
00
00
00
30
2,0-3,5
5
8
3
4
2
4
1
00
30
60
30
50
00
10
60
Если рассчитанное расстояние меньше заданного таблицей 11, то принимается значение из
таблицы 11.
8.Описание САПР, используемой при проектировании
При проектирование нами будет использоваться САПР DipTrace.
DipTrace не одна программа, а целый пакет для сквозного проектирования (от идеи до
файлов для производства) Из особых достоинств следует отметить простой и понятный
интерфейс, помощь на русском языке, и самое главное – специальную лицензионную политику
по отношению к русскоязычным пользователям, которая позволяет на законных основаниях
создавать серьёзные схемы.
Программный пакет DipTrace представляет собой полнофункциональную систему для
разработки принципиальных схем и печатных плат. Включает в себя четыре программы:
1. PCB Layout - проектирование плат с помощью мощного автотрассировщика, удобной
ручной трассировки и системы позиционирования компонентов.
2. Schematic - проектирование схем с поддержкой иерархии и неограниченного количества
листов. Экспорт в редактор плат, список сетей (netlist) или симулятор.
3. Pattern Editor - редактор корпусов для печатной платы. Позволяет создавать свои
библиотеки.
4. Component Editor - редактор компонентов. Рисование символов схемотехники и связка их
с корпусами. Позволяет создавать свои библиотеки.
Также стоит отметить следующие особенности DipTrace:
- Стандартные библиотеки - содержат более 100 000 компонентов.
- 3D предпросмотр - позволяет просматривать трехмерную модель платы. С программой
С
1
3
5
8
1
1
1
-
-
поставляются более 2.5 тыс. 3D-моделей корпусов.
Импорт/Экспорт - система может импортировать схемы, платы и библиотеки из P-CAD,
PADS и других популярных программ. Экспорт в P-CAD, Gerber и другие форматы
позволит подготовить платы для любого производства.
Русский интерфейс, справка, учебник и форматки - позволят быстро изучить и эффективно
пользоваться программой.
Возможности и функции DipTrace
1) Интуитивно-понятный пользовательский интерфейс
Многоуровневая иерархия и поддержка многолистовых схем позволяет быстро и
эффективно разрабатывать сложные принципиальные схемы. Преобразование схемы в плату,
обновление проекта из измененной схемы и обратная аннотация производятся одним кликом.
Все объекты подсвечиваются при работе. Учебник содержит пошаговые рекомендации и
проведет Вас через все этапы создания платы.
2) Удобное ручное и автоматическое позиционирование
Функции “Упорядочивание”, “Позиционирование по списку” и “Автоматическая
расстановка компонентов” помогут Вам легко и быстро оптимизировать расположение
компонентов и размеры платы.
3) Эффективные возможности трассировки
Cовременный бессеточный автотрассировщик способен качественно и быстро разводить
как сложные многослойные платы с разными типами компонентов, так и простые двухслойные
проекты. Сеточный трассировщик может использоваться на простых однослойных платах c
перемычками. Поддержка Specctra DSN/SES позволяет использовать внешние трассировщики.
Развитые средства ручной трассировки дают возможность быстро и эффективно проектировать
нестандартные платы. Размеры плат неограничены.
4) Всесторонняя проверка проекта
Широкие возможности проверки проекта на различных этапах создания позволяют выявить
ошибки до отправки файлов производителю. Проверка включает следующие этапы:
автоматизированная проверка новых компонентов в библиотеках, выявляющая возможные
признаки ошибок и минимизирующая “человеческий фактор”; проверка допустимости
соединений в схеме (ERC); проверка зазоров, размерностей и различных признаков ошибок на
плате (DRC); проверка целостности соединений на плате; сравнение со схемой. Ошибки
выводятся в виде списка и отображаются в проекте, возможно их исправление “на лету” с
перезапуском проверки.
5) 3D предпросмотр платы
Функция трехмерного предпросмотра моделирует внешний вид конечного изделия, дает
возможность выявить недостатки компоновки до передачи в производство. Благодаря
аппаратному ускорению графики возможно поворачивать и масштабировать модель устройства
в реальном времени. С программой поставляются более 2.5 тыс 3D-моделей корпусов.
6) Моделирование схемы
Экспорт принципиальной схемы в формате Spice-нетлист (.cir) даст возможность
промоделировать Ваше устройство в программе LT Spice или любом другом внешнем
симуляторе.
7) Импорт / Экспорт
Функции импорта и экспорта позволяют Вам работать с принципиальными схемами,
платами и библиотеками в форматах других EDA и CAD-приложений: DXF, P-CAD, PADS,
OrCAD и Eagle, а также работать с нетлистами: Accel, Allegro, Mentor, PADS, P-CAD, OrCAD,
Protel 2.0 и Tango.
8) Создание файлов для производства
В DipTrace Вы можете получить все необходимые для производства файлы (Gerber RS274X, Excellon N/C Drill, DXF). Векторизация позволяет экспортировать в Gerber-формат
TrueType шрифты и растровые изображения.
9) Создание собственных библиотек
Удобные средства разработки компонентов и корпусов с автоматическим расположением и
нумерацией выводов по заданным правилам позволяют за считанные минуты создавать компоненты
любых размеров и сложности.