Регулируемый стабилизатор напряжения с 'резисторным теплоотводом'
Содержание
Введение
Аннотация
Техническое задание
1.Техническое предложение
.1 Анализ технического задания
.2 Анализ схемы электрической принципиальной и описание
принципа работы изделия
. Техническое проектирование
2.1
Выбор элементной базы и вариантов ее установки
2.2 Выбор метода изготовления и материала печатной платы
.3 Выбор покрытий и обеспечение влагозащиты
.4 Выбор типа корпуса
.5 Выбор конструкции корпуса
.6 Проектирование функционального узла на печатной плате
2.7
Выбор и обоснование материала корпуса, технологии его изготовления
3. Расчетная часть
3.1
Определение размеров печатной платы
.2
Определение диаметров монтажных отверстий, размеров контактных площадок
.3
Расчет ширины проводников по постоянному току
3.4 Определение минимального расстояния
для прокладки проводников.
3.5 Расчет электрических параметров печатных проводников
.6 Расчет на вибропрочность печатной платы
.7 Расчет на ударопрочность печатной платы
3.8 Расчет объема корпуса
.9 Расчёт надёжности по внезапным отказам
3.10 Тепловые воздействия и расчет тепловых режимов ЭВС
Заключение
Список литературы
Введение
Регулируемый стабилизатор напряжения с «резисторным теплоотводом» - это
электротехническое устройство, регулирующее напряжение в сети и сглаживающее
его скачки.
Актуальность
Известно, что электрическая сеть переменного тока не выдает постоянного
напряжения величиной 220 В, как этого требуют правила эксплуатации многих
однофазных электрических приборов. В питающей сети часто возникают перегрузки,
посадки и кратковременные повышения напряжения, которые отрицательно
сказываются на работоспособности включенных в нее приборов. Для того чтобы
техника работала долго и безотказно ее необходимо защитить от такого рода
нештатных ситуаций.
В предлагаемом стабилизаторе напряжения часть рассеиваемой энергии
отведена от регулирующих транзисторов в мощные резисторы, размещенные снаружи
на задней стенке корпуса прибора. Благодаря этому удалось снизить температуру
внутри корпуса и, соответственно, повысить стабильность выходного напряжения.
АННОТАЦИЯ
В рамках данного курсового проекта был разработан регулируемый
стабилизатор напряжения с «резисторным теплоотводом».. Были произведены
необходимые инженерные расчеты. Основанием для разработки является задание на
курсовой проект. Пояснительная записка включает стр., таблиц , приложений, список использованной литературы.
As part of thecourse projectwas designedwithadjustablevoltage
regulator'resistor heat sink".Have been madenecessary
engineeringcalculations.The basisfor the development ofaspecification fora
course project.Explanatory note:includespages ,spreadsheets, applications, list
of references.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Настоящее техническое задание распространяется на разработку и испытание
регулируемого стабилизатора напряжения с «резисторным теплоотводом» КНФУ
ХХХХХХ.001 код изделия 112 УХЛ 4.
Основание для
разработки
Устройство КНФУ ХХХХХХ.001 разрабатывают на основании задания на курсовой
проект по дисциплине «Основы проектирования электронных средств». Тема -
«Регулируемый стабилизатор напряжения с «резисторным теплоотводом».
Состав
изделия
В состав изделия входят:22 резистора; 2 конденсатора; 5 транзисторов; 2
диодные сборки; 6 диодов и 2 микросхемы.
Технические
параметры
Напряжение питания, В 30(±10%)
Потребляемая мощность не более, Вт 0,5
Требования к
надежности
Общие требования к надежности по ГОСТ 23359-82.
Конструктивные
требования
Основные конструктивные требования по ГОСТ 14.201-83 и ГОСТ 14.205-83.
Основные требования к материалам и покрытиям несущих конструкций устройств
“Материал и покрытия” по ОСТ 4.029.091-81.
Требования технической эстетики по ОСТ 4Г0.11218.
Требование эргономики по ОСТ 4Г0.10236.
Тип аппаратуры - стационарная.
Условия
эксплуатации
Устройство должно соответствовать категории размещения УХЛ 4 по ГОСТ
15150 - 69
диапазон рабочих температур, °С +1…+35
средняя температура, °С +20
относительная влажность воздуха
при температуре 15° С
80%
атмосферное давление, кПа
86,6…106,7
Механические воздействия должны соответствовать ГОСТ 25467-82. Группа
исполнения изделия к механическим факторам - М1.
диапазон синусоидальных вибраций, Гц 1…35
амплитуда ускорения синусоидальных вибраций, м/с2 5
пиковое ударное ускорение, не более, м/с2 (g) 50
Требования
безопасности
Основные требования к безопасности в соответствии с требованиями ПУЭ
«Правила устройств электроустановок потребителей», утвержденного Минэнерго ССР
и введенного в действие 01.08.1984.
Основные требования к безопасности при эксплуатации «Правила техники
безопасности при эксплуатации электроустановок потребителем», утвержденного
Госэнергонадзором 10.12.1972.
Требование к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению
Транспортная упаковка и условия хранения должны обеспечивать сохранность
изделия при транспортировке и хранении, и выполняться по соответствующим
стандартам, отраслевым нормам и инструкциям.
Экономические
показатели
Масштабность выпуска соответствует установочной серии (100 шт.).
Порядок
испытаний
Испытания производить на предприятии изготовителе путём проверки на предмет
соответствия технических показателей устройства, в соответствии с ГОСТ
16.962-79 «Изделия электронной техники. Механические, климатические
воздействия. Требования и методы испытаний».
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ
ПРЕДЛОЖЕНИЕ
1.1 Анализ технического
задания
Первый элемент обозначения указывает на тип аппаратуры. В данном случае
цифра 1 означает, что аппаратура является стационарной.
Второй элемент обозначения указывает на конструктивное исполнение. Цифра
1 означает, что составная часть блока. Не входит в конструктивы большего
уровня. Поэтому не накладывается жестких требований по габаритам. Допускаются
произвольные размеры корпусов.
Третий элемент обозначения определяет условия производства. В данном
случае цифра 2 указывает на установочную серию с выпуском изделия в количестве
100 штук. В зависимости от объема производства изменяются и требования к
автоматизации установки элементов, способам маркировки, методам изготовления,
классам точности печатных плат.
Четвертый и пятый элемент, буквенный код УХЛ и цифра 4, указывают на
климатическое исполнение. Буквенный код характеризует климатический район: УХЛ
- умеренный и холодный. Цифра определяет категорию размещения: 4 означает
размещение аппаратуры в отапливаемых помещениях с искусственным климатом.
Значения температур окружающего воздуха для данного климатического
исполнения следующие:
Температура окружающего воздуха +1… +350 С.
Средняя температура +200 С.
Предельные рабочие температуры -1…+400 С
Атмосферное давление 86,6…106,7 кПа
Относительная влажность воздухапри температуре 150С- 80%
Эти параметры опять же накладывают определенные ограничения на
конструкциюто, что аппаратура стационарная и используется в помещениях с
искусственным климатом, не требует применения специализированной элементной
базы.
1.2 Анализ схемы электрической
принципиальной и описание принципа работы изделия
Узел управления устройством выполнен на микросхеме DA1. На транзисторе VT1 собран узел ограничения
максимального выходного тока стабилизатора. Транзистор VT2 усиливает сигнал с выходаVz микросхемы DA1.
Регулирующий узел образуют транзисторы VT3 - VT5 и
резистор R18. Узел тепловой защиты регулирующих
транзисторов собран на микросхеме DA2 и диодных сборках - термодатчиках VD3 и VD4.
Устройство работает так. Часть выходного напряжения стабилизатора
подается через резистор R8 на
инвертирующий вохд усилителя сигнала ошибки микросхемы DA1. Повышение напряжения стабилизатора приводит к увеличению
тока через резисторR8 и к уменьшению
тока через микросхему и регулирующий узел и, соответственно, к восстановлению
исходного выходного напряжения, которое регулируют грубо резистором R7 и точно - резистором R4.
При перемещении движка резистора R7 вверх по схеме повышается напряжение на инвертирующем входе
микросхемы DA1, в результате чего уменьшается ток
через неё, что приводит к изменению тока через резистор R8, благодаря чему равенство
напряжений на входах 4 и 5 микросхемы DA1 восстанавливается при более низком выходном напряжении. При обрывах в
цепях движков переменных резисторов R4 и R7 выходное напряжение не может стать
больше, чем оно могло быть установлено этими резисторами.
. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
.1 Выбор элементной базы и вариантов ее установки
Высокие эксплуатационные показатели надежности радиоаппаратуры
достигаются, прежде всего, правильным подбором элементов, с учетом всех
требований, которые будут предъявлены в процессе эксплуатации к аппаратуре.
Радиоэлементы, выбираемые для использования в проектируемом изделии должны
удовлетворять следующим требованиям:
технические параметры элементов должны обеспечивать заданные выходные
характеристики изготавливаемого прибора, с необходимым коэффициентом запаса;
элементы должны соответствовать требованиям, предъявляемым к
радиоаппаратуре климатическими, механическими и электрическими условиями эксплуатации;
стоимость комплектующих должна быть по возможности минимальной, а
элементы при этом применятся по своему прямому назначению в соответствии с
требованиями ТУ;
работоспособность в диапазоне температур и других климатических факторов
заданного климатического исполнения;
конструктивной и технологической совместимости всех типов элементов,
возможностиих автоматизированной установки;
допустимости их в новых разработках.
Выбору конкретного типа радиоэлемента должен предшествовать детальный
анализ функций и условий работы в конкретной электрической схеме и изделии в
целом. На основе этого анализа составляют перечень требований, предъявляемых к
функциональному назначению и основным параметрам элементов. Исходя из
детального анализа всех требований, выбирается тип радиоэлементов, которые
войдут в состав элементной базы устройства, описываемого в данном курсовом
проекте.
Для выбора резисторов, необходимо учитывать следующие их параметры:
параметры и режимы работы при электрических нагрузках, мощность, рассеиваемая
на резисторе, эксплуатационные факторы, необходимая стабильность электрических
параметров, допустимые размеры и масса резисторов, конфигурация выводов и
способ монтажа, показатели безопасности, стоимость резисторов.
Для выбора нужного типа конденсатора необходимо учитывать следующие
технические параметры: значение номинальных параметров и допустимых их
изменений в процессе эксплуатации, допустимые режимы работы и рабочие
электрические нагрузки, эксплуатационные факторы, величины механических нагрузок
и относительная влажность окружающей среды, показатели надежности, способ
монтажа, масса и конструкция конденсаторов.
Используемые микросхемы выбираются исходя из назначения, конструкции и
функциональных возможностей, а так же учитываются следующие параметры:
функциональные возможности, выполняемые микросхемами, способ монтажа,
напряжение питания, конфигурация выводов.
Результаты выбора элементной базы представлены в виде таблицы 1.
Таблица№1 «Характеристика элементной базы»
|
Наименование элемента
|
Кол., шт.
|
Конструкционные параметры
|
Параметры внешних
воздействий
|
Рекомендуемая замена
|
Обоснование замены
|
|
|
Масса,г.
|
Установочная площадь,мм2
|
Установочная высота, мм
|
Интенсивность отказов, I*10-6,I/ч.
|
Диапазон температур, 0С
|
Вибрационные нагрузки
|
Ударные перегрузки, м/с2
(g)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота, Гц
|
Максимальное ускорение, м/с2
|
|
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
|
|
|
|
|
По техническому заданию:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+1…+35
|
1..35
|
до 5
|
до 50
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диоды:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КС139А
|
1
|
0,3
|
32,5
|
10
|
0,050
|
-55…+100
|
|
|
|
|
|
|
КС515А
|
1
|
1
|
19,5
|
7
|
0,080
|
-60…+125
|
|
|
|
|
|
|
КДС523Г
|
2
|
0,24
|
26
|
5
|
0,100
|
-60…+125
|
|
|
|
|
|
|
КС133А
|
1
|
0,3
|
11,7
|
7
|
0,050
|
-55…+100
|
|
|
|
|
|
|
КД105Б
|
1
|
0,3
|
45,5
|
4,5
|
0,08
|
-55…+100
|
|
|
|
|
|
|
Конденсаторы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К50-35-63В
|
2
|
0,8
|
22,5
|
9
|
0,100
|
-40…+70
|
5…80
|
24,5
|
|
|
|
|
Микросхема:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КР142ЕН14
|
1
|
1,5
|
100
|
7,5
|
------
|
-10…+70
|
1…600
|
10
|
75
|
|
|
|
КР142ЕН19А
|
1
|
1,5
|
100
|
7,5
|
------
|
-10…+70
|
1…600
|
10
|
75
|
|
|
|
Резисторы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С2-23-0,25Вт
|
16
|
0,15
|
36,8
|
3,5
|
0,010
|
-60…+155
|
1…5000
|
392,4
|
1471,5
|
|
|
|
С2-23-0,125Вт
|
1
|
0,15
|
36,8
|
3,5
|
0,010
|
-60…+155
|
1…5000
|
392,4
|
1471,5
|
|
|
|
С2-23-1Вт
|
1
|
0,25
|
120,9
|
3,6
|
0,010
|
-60…+125
|
1…5000
|
392,4
|
1471,5
|
|
|
|
С2-23-2Вт
|
1
|
3,5
|
193,5
|
8,6
|
0,010
|
-60…155
|
1…5000
|
392,4
|
1471,5
|
|
|
|
СП3-39а-0,25Вт
|
1
|
0,6
|
120,9
|
3,6
|
0,010
|
-60… +155
|
1…3000
|
200
|
10000
|
|
|
|
СП3-19а-0,5Вт
|
1
|
0,25
|
120,9
|
3,6
|
0,010
|
-60…+125
|
1…5000
|
392,4
|
1471,5
|
|
|
|
СП3-4АМ-0,25Вт
|
1
|
9,6
|
250
|
23
|
0,03
|
-45…+60
|
1…3000
|
200
|
10000
|
|
|
|
Транзисторы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КТ814В
|
1
|
1
|
28,39
|
20,8
|
0,500
|
-40…100
|
10…600
|
98
|
735
|
|
|
|
КТ815Г
|
2
|
1
|
28,39
|
20,8
|
0,500
|
-40…100
|
10…600
|
98
|
735
|
|
|
|
КТ818В
|
2
|
1
|
64,22
|
21,9
|
0,500
|
-40…100
|
10…600
|
98
|
735
|
|
|
2.2 Выбор метода изготовления и материала
печатной платы
Учитывая несложность схемы проектируемой аппаратуры, следует применить
ОПП. При этом будет обеспечиваться необходимая точность изготовления платы и
низкая стоимость. Рекомендуется выбирать класс точности минимально возможный
для изготовления ПП. Таким образом, класс точности ПП проектируемой аппаратуры
третий.
Метод изготовления ПП химический (способ получения рисунка
фотохимический).
Для ПП выбираем стеклотекстолит. Толщина платы для обеспечения
достаточной жесткости конструкции выбирается 1,5 мм. Толщины фольги достаточно
35 мкм в виду маломощности схемы. Таким образом, для ПП выбран стеклотекстолит
марки СФ-1-35 (стеклотекстолит фольгированный односторонний, толщина фольги
35мкм) толщиной диэлектрического основания 1,5 мм.
После установки и пайки всех радиоэлементов на плату, её необходимо
покрыть защитным слоем лака. Плёнка лака создаёт барьер воздействию влаги и
загрязнения на диэлектрическое основание, предохраняет тонкие проводники от
повреждений, увеличивает механическую прочность платы. Но такое покрытие
увеличивает паразитную ёмкость на 20-30%, что следует учитывать при расчётах.
Следует так же предусмотреть предохранение некоторых областей платы от
покрытия.
2.3 Выбор покрытий и обеспечение влагозащиты
От воздействия влаги и загрязнения платы ее необходимо покрыть защитным
слоем лака, которая увеличивает механическую прочность платы и предохраняет
тонкие проводники от повреждений. Учитывая климатические условия и условия
эксплуатации для покрытия узлов ППбыло выбрано лакокрасочное покрытие ЯН-54,
которое обеспечивает надежную изоляционную защиту.
2.4 Выбор типа корпуса
Форма корпуса определяется из следующих критериев: область применения,
функциональная сложность, эксплуатационные требования, климатические условия,
себестоимостью производства, требованиям ремонтопригодности, требованиями к
эргономичности.
Проектируемая нами аппаратура не предъявляет к себе высокихтребований. Не
входит в конструктивы большего уровня. Поэтому не накладывается жестких
требований по габаритам. Допускаются произвольные размеры корпусов.
2.5 Выбор конструкции корпуса
Корпус прибора должен выполнять ряд функций: обеспечивать механическое
крепление составных частей изделия, защищать элемента конструкции от внешних
климатических и механических воздействий. Кроме того, к конструкции корпуса
предъявляется ряд требований: малые массогабаритные показатели, технологичность
изготовления, легкость при сборке и монтаже элементов, ремонтопригодность.
Корпус устройства выполняется из ударопрочного полистирола и имеет раз-
борную конструкцию. Состоит из двух частей: основание и крышка. Основание
представляет собой дно изделия, имеет плоскую форму, на нем размещается
печатная плата. Крышка, крепится сверху на основание винтами.
2.6 Проектирование функционального узла на
печатной плате
Печатная плата - изоляционное основание с нанесенным на его поверхность
печатным монтажом. Их применение повышает надежность аппаратуры, обеспечивает
повторяемость электрических параметров, создает предпосылки для автоматизации
производства (высокая производительность и низкая себестоимость), уменьшает
габариты и массу. Наиболее распространены односторонние печатные платы (ОПП) и
двухсторонние печатные платы (ДПП). Проведем их сравнение.
ОПП характеризуется: возможностью обеспечить повышенные требования к
точности выполнения проводящего рисунка; установкой навесных элементов на
поверхность платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительной
изоляции; возможностью использования перемычек без изоляции; низкой стоимостью
конструкции. К недостаткам ООПследует отнести низкую плотность компоновки,
обычно не превышающую 1,5 эл/см3; низкую тепловую и механическую
устойчивость контактных площадок. Главным достоинством ОПП является ее низкая
стоимость и простота изготовления. Применяется, главным образом, для несложных
схем.
ДПП выполняется с металлизированными отверстиями, характеризуются
высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода
навесного ЭРЭ с проводящим рисунком. Недостатком ДПП является более высокая
стоимость по сравнению с ОПП. Применяется для схем повышенной сложности.
2.7 Выбор и обоснование материала корпуса, технологии его
изготовления
В настоящее время существует целый ряд материалов для корпусов
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Такое разнообразие является следствием
необходимости защитить радиоэлектронное устройство от неблагоприятных
воздействий окружающей среды, сохраняя удобство механической обработки,
соединения частей прибора, достаточную прочность материала.
В качестве материала корпуса возможно использовать пластмассу.
Из всего многообразия пластмасс наиболее оптимальным выбором является
полистирол УПМ. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с остальными:
высокая ударопрочность;
стойкость ко всем воздействиям внешней среды;
стойкость к кислотам и щелочам;
высокая электрическая прочность;
лёгкость обработки;
широкая цветовая гамма;
существенно меньшая цена по сравнению с пластиками-аналогами.
Перерабатывается полистирол литьем под давлением в интервале температур
190 - 230°C (температура литьевых форм 50 - 60°C), поэтому способ изготовления
корпуса - литье под давлением.
3. РАСЧЕТНАЯ
ЧАСТЬ
стабилизатор напряжение регулируемый резисторный
|
Наименование элемента
|
Кол. шт.
|
масса, г
|
Конструкционные параметры
|
|
|
|
установочная высота, мм
|
установочная площадь, мм2
|
Вариант установки
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
Диоды:
|
|
|
|
|
|
|
КС139А
|
1
|
0,3
|
10
|
32,5
|
|
|
КС515А
|
1
|
1
|
7
|
19,5
|
|
|
КДС523Г
|
2
|
0,24
|
5
|
26
|
|
|
КС133А
|
1
|
0,3
|
7
|
|
|
КД105Б
|
1
|
0,3
|
4,5
|
45,5
|
|
|
Конденсаторы:
|
|
|
|
|
|
|
К50-35-63В
|
2
|
0,8
|
9
|
29,25
|
|
|
Микросхема:
|
|
|
|
|
|
|
КР142ЕН14
|
1
|
1,5
|
7,5
|
100
|
|
|
КР142ЕН19А
|
1
|
1,5
|
7,5
|
100
|
|
|
Резисторы:
|
|
|
|
|
|
|
С2-23-0,25Вт
|
16
|
0,15
|
3,5
|
36,8
|
|
|
С2-23-0,125Вт
|
1
|
0,15
|
3,5
|
36,8
|
|
|
С2-23-1Вт
|
1
|
0,25
|
3,6
|
120,9
|
|
|
С2-23-2Вт
|
1
|
3,5
|
8,6
|
193,5
|
|
|
СП3-39а-0,25Вт
|
1
|
0,6
|
3,6
|
120,9
|
|
|
СП3-19а-0,5Вт
|
1
|
0,25
|
3,6
|
120,9
|
|
|
СП3-4АМ-0,25Вт
|
1
|
9,6
|
23
|
250
|
|
|
Транзисторы:
|
|
|
|
|
|
|
КТ814В
|
1
|
1
|
20,8
|
28,39
|
|
|
КТ815Г
|
2
|
1
|
20,8
|
28,39
|
|
|
КТ818В
|
2
|
1
|
21,9
|
64,22
|
|
|
|
|
Итого:
|
1365,25
|
|
Краевое поле платы, мм = 5
3.1 Определение размеров печатной платы
Размеры печатной платы определяются исходя из площади, необходимой для
размещения всех электрорадиоэлементов, элементов печатного монтажа и площади
дополнительных зон.
При компоновке элементов на печатных платах оперируют понятием
установочной площади элемента, которую для большинства элементов вычисляют по
формуле (1):
Sуст
= 1,3 *B*L , (1)
Где В - максимальная ширина (диаметр элемента);
L-длина
элемента, включая отформованные выводы (установочный размер).
Установочная площадь учитывает зазоры, которые необходимы для работы
укладочного инструмента.
Установочные размеры для элементов, используемых в схеме даны в таблице
3.10[1].
При определении полной площади платы вводят коэффициент ее увеличения,
находящийся в пределах КS=
(1,5...3) :
Полная площадь платы
, (2)
где
коэффициент увеличения платы, 
=(1,5…3)
количество
компонентов на плате;
- площадь
краевых полей платы, мм2
мм2
Sпл=1,7*1365,25+400=2720,92 мм2
Исходя
из полученных значений площади, выбираем плату размером
х
60 мм
3.2 Определение диаметров монтажных отверстий, размеров контактных
площадок
В конструкции ПП используются монтажные и крепежные отверстия. Диаметр
монтажного отверстия зависит от диаметра вывода элемента; необходимого
монтажного зазора, обеспечивающего возможность автоматизации сборки и затекание
припоя внутрь отверстия при пайке; наличия металлизации:
d = dэ + r + ½∆ dно½, (3)
где dэ- диаметр вывода навесного элемента;
r -
разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным
значением диаметра вывода элемента значение параметра, должно находиться в
пределах от 0,1 до 0,4 мм;
∆dно- нижнее предельное отклонение
номинального значения диаметра отверстия (таблица 1), в нашем случае для
третьего класса точности и отверстий диаметром меньше 1 мм составляет 0,05 мм,
а для отверстий больше 1мм - 0,1 мм.
Выбранная элементная база имеет вывода круглого сечения диаметрами 0,5 и
0,60. Диаметр отверстия для выводов 0,5 и 0,6мм:
d=0,6+0,15+0,05=0,8
мм.
Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,4(0,5);
0,6(0,7); 0,8(0,9); 1,0(1,2); 1,3;1,5. Таким образом, диаметр отверстий для
всех выводов элементов берется 0,8 мм.
Таким образом, используется один тип монтажных отверстий - 0,8 мм.
Контактные площадки могут иметь произвольную форму, однако
предпочтительной является круглая форма. Ее площадь (без учета площади
отверстия), для 3-го класса точности не менее 1,6 мм2. Для
обеспечения лучшей трассировки допускается подрезание краев контактной площадки
до минимально допустимого гарантийного пояскаили развитие в свободную сторону.
Контактная площадка, предназначенная для установки первого вывода многовыводного
элемента, должна иметь форму, отличную от остальных (например, иметь
"усик"). Диаметр круглой контактной площадки можно определить по
формуле(4):
dк = d + ∆dво + 2b + с, (4)
где d - диаметр монтажного отверстия;
b-
гарантийный поясок контактной площадки, 0.1мм (по таблице 1);
с - коэффициент, учитывающий влияние разброса межцентрового расстояния,
смещение фольги в разных слоях, подтравливание диэлектрика; для плат класса 1 с
=0,6…0,7, для классов 2 и 3 - с = 0,4…0,5;
∆dво - верхнее предельное отклонение
диаметра отверстия (таблица 1).
Тогда диаметр контактных площадок будет для отверстий диаметром 0,8 мм dк=0,8+0.05+2x0.1+0.45=1,5 мм;
3.3 Расчет ширины проводников по постоянному току
Расчет проводников по постоянному току выполняется с целью определения
нагрузочной способности печатных проводников по току.
t>Imax/hj , (5)
где Imax- максимальный ток, протекающий через проводник, в нашем
случае составляет 100 мА
h - толщина
проводника (мм), в нашем случае 35 мкм ;
j-
допустимое значение плотности тока (A/мм2), зависит от метода изготовления ПП и для фотохимического
метода при толщине фольги 35 мкм составляет 20 A/мм2.
Произведенный расчет показывает t> 0,142 мм. Таким образом, печатный проводник шириной 0,25 мм
(минимальная ширина проводника для печатной платы третьего класса точности)
обладает более чем достаточной нагрузочной способностью по току. Для ФУ ширину
проводников возьмем равной 1 мм (для фотохимического метода).
3.4 Определение минимального расстояния для прокладки проводников
Возможность прокладки в узком месте требуемого количества проводников
следует проверять по следующей формуле:
, (6)
где n- число проводников;и d2
диаметры монтажных отверстий (0,8 мм)
S - минимальный зазор между проводником и контактной
площадкой (0,25 мм).
Dt -
верхнее предельное отклонение ширины проводников (зависит от класса платы и
способа изготовления: 0,1 мм.);гарантийный поясок контактной площадки (0,1 мм)
С- слагаемое, учитывающее
погрешности выполнения монтажных отверстий, контактных площадок, межцентровых
расстояний, смешение слоев, зависит от класса точности печатной платы, способа
изготовления, металлизации отверстий, обычно С лежит в пределах от 0,1 до 0,7
мм.
Как видим, соотношение выполняется из чего можно сделать вывод, что даже
в узких местах ширина проводника может быть равной 1 мм.
3.5 Расчет электрических
параметров печатных проводников
Печатным проводникам присущи такие нежелательные параметры, как
собственная емкость С и индуктивность L, величина которых возрастает с увеличением длины проводников и
уменьшением расстояния между ними. Существуют расчетные формулы для определения
С и Lдля различных вариантов расположения
проводников, однако они довольно громоздки и для практического использования
более удобны графические зависимости, приведенные в ОСТ 4ГО.010.009-84.
Емкость между печатными проводниками С (пФ) можно вычислить по формуле:
C=kl
(7)
Где k - коэффициент, зависящий от ширины
проводников и их взаимного расположения ;
l-
длина взаимного перекрытия проводников, см;
- диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей
пространство между проводниками, в нашем случае линии электрического поля
проходят частично через воздух и частично через изоляционную плату. Поэтому в
формулу
(7) подставим среднее арифметическое значение диэлектрической
проницаемости воздуха и изоляционной платы.
С=0,125*1,5*(1+7,5)/2=0,796пФ;
Индуктивность прямого печатного проводника зависит от его длины, ширины и
толщины. Для определения Lпогвоспользуемся рисунком 4.3[1].
В нашем случае Lпог=0,013мкГн.
3.6 Расчет на вибропрочность печатной платы
Радиоэлектронный узел представляет собой планарную конструкцию. Поэтому в
расчетах на вибропрочность реальная конструкция узла представляется расчетной
моделью прямоугольной пластины при определенном закреплении.
Для всех случаев закрепления краев пластины собственная частота (Гц)
определяется по формуле (8):
(8)
Где а - длина пластины, см;
h -
толщина пластины см;
с - частотная постоянная.
Если пластина изготовлена не из стали, а из другого материала, то вводится
поправочный коэффициент на материал:
(9)
Где E и p - модуль упругости и плотность применяемого материала
основания печатной платы(см. таблица 4.2[1]).
Ec и pc - модуль упругости (21*105кг/см)
и плотность (7,35г/см3) стали.
Если пластина равномерно нагружена, то вводится поправочный коэффициент
на массу элементов (10):
; (10)
Где Qэ - масса элементов;
Qм
- масса пластины.
;
Таким образом , формула для определения собственной частоты колебаний
равномерно нагруженной пластины будет выглядеть :
(11)
f
;
3.7 Расчет на ударопрочность печатной платы
Расчет на ударопрочность выполняется с целью определения прочностных
характеристик при воздействии ударных нагрузок.
Расчет ведется для элемента, имеющего наибольший вес и наибольшую длину
выводов.
Максимальное отклонение элемента (см), под действием ударного импульса
определяется по формуле (12):
(12)
Где Р - приложенная сила, кг;
l -
длина вывода, см;
Е - модуль упругости материала вывода, кг/см3;
J -
осевой момент инерции, см.
Приложенная сила определяется следующим образом:
Р=aQ; (13)
Где а - ускорение в единицах g;
Q- вес
элемента, кг.
Момент инерции для круглых выводов:
(14)
Где d- диаметр круглого вывода, см.
Упругая деформация материала вывода (кг/см3), при поперечном
изгибе определяется по формуле (15):
(15)
Где М - изгибающий момент, кг*см;
W-
момент сопротивления изгибу, см3;
(16)
Момент сопротивления по изгибу для круглого вывода:
(17)
Наибольший вес и наибольшую длину имеет микросхема КР142ЕН14.
Выводы микросхемы, сделанные из твердой меди, имеют:
Е=(11…12)*105кг/см2;
Z=3000кг/см2;
Р=a*Q=392,0*0,005=1,96;
J=0,005*d3=0,005*0,33=0,000135;
3.8 Расчет объема корпуса
Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.
Таблица 3
|
Элемент
|
Количество
|
Объем, см3
|
Вес, г
|
Установочная площадь, см2
|
|
Печатная плата
|
10
|
300
|
54,0
|
30
|
Из [3] выбираем коэффициент заполнения объема блока равный:
KV=0,5…0.7 (18)
Определяем объем блока по формуле:
, (19)
где
VN - объем, занимаемый элементной базой и узлами.
Задаемся
возможными габаритами блока исходя из его объема:
Vбл.=H´B´L, (20)
где
H, B, L - соответственно длинна, ширина и глубина блока.
Принимаем:
H=85 мм,
B=65 мм,
L=55 мм.
Уточняем
объем блока:
Vбл.=6.5´8.5´5.5´10=3038 см3
3.9 Расчёт надёжности по внезапным отказам
Методика расчета:
) Рассчитывается суммарная интенсивность отказов активных, пассивных и
конструкторско-технологических элементов, составляющих в совокупности ЭС:
(21)
где
m- общее число компонентов ЭС (ИС, ПП, резисторов,
конденсаторов, дросселей, переключателей, соединительных проводов и
проводников, паек и т. д.).
)
Рассчитывается общая интенсивность отказа ЭС:
(22)
где
коэффициенты 
, выбираются из табл.8…10 [5]
Кэ
- эксплуатационный коэффициент, учитывающий область применения и функциональное
назначение РЭА (Для переносной аппаратуры - 4).
Кr -
поправочных коэффициент, учитывающий влияние влажности (1)
Кр
- поправочных коэффициент, учитывающий влияние атмосферного давления окружающей
среды на работу РЭА (1);
)
Находится средняя наработка ЭС до первого отказа:
(23)
)
Находится вероятность безотказной работы РЭА РА за заданное время работы t:
(24)
Интенсивность отказов элементов сведем в таблицу2.
Таблица 2
|
Название элемента
|
Количество
|
Интенсивность отказов
|
|
DA1, DA2
|
2
|
0.00000020
|
|
R1-R3, R5-R22
|
21
|
0.00000001
|
|
R4
|
1
|
0.00000003
|
|
С1,С2
|
2
|
0.0000001
|
|
VD1,VD5
|
2
|
0.00000005
|
|
VD2,VD6
|
2
|
0.00000008
|
|
VD3,VD4
|
2
|
0.0000001
|
|
VT1-VT5
|
5
|
0.0000005
|
|
пайка печатного монтажа
|
108
|
0.00000001
|
|
проводники печатных плат
|
54
|
0.00000020
|
· Время наработки на отказ t = 10000
· Общая интенсивность отказа РЭА = 15,68E-6*
· Средняя наработка РЭА до первого отказа = 63775,51 часов
· Вероятность безотказной работы РЭА за время 10000 часов равна
0,98
Как видно из результатов расчетов, проектируемый прибор имеет достаточный
запас по надежности.
3.10 Тепловые воздействия и расчет тепловых
режимов ЭВС
Для расчета теплового режима ЭС существует множество методик обладающих
различной степенью точности, трудоемкостью. Наиболее распространенная -
схематизация процессов теплообмена. Сущность этого метода состоит в том, что
несущую с установленными элементами принимают за одно тело с изотермической
поверхностью, для которой и производится расчет теплового режима.
Методика расчёта теплового режима блока ЭВА с естественным воздушным
охлаждением.
Исходными данными для расчёта являются:
мощность, рассеиваемая в блоке, Р (Вт) ;
давление окружающей среды Н (Па);
температура окружающей среды Т (град. С);
размеры корпуса блока для горизонтальной ориентации плат длина L1(м), ширина L2 (м),высота
L3 (м);
для вертикальной ориентации плат-размер, вдоль которого располагаются
платы L1 (м); высота L2 (м);
размер, перпендикулярно которому располагаются платы L3 (м);
коэффициент заполнения К ;
количество перфорационных отверстий N;
вид отверстий и размеры для прямоугольных и щелевых :L4 (м), L5 (м)-размеры сторон прямоугольника,
для круглых: диаметр отверстия D(м).
При проектировании конструкции и вводе исходных данных нужно учитывать
расстояние между платами в блоке.
Если расстояние между платами меньше или равно 2-3мм, движение воздуха в
каналах практически прекращается, при этом температурные поля соседних плат
оказывают существенное влияние друг на друга, вследствие чего неравномерность
температурного поля нагретой зоны очень велика.
Если расстояние между платами 2-7мм, в каналах наблюдаются восходящие
взаимовлияющие потоки нагретого воздуха, при этом неравномерность
температурного поля может достигать 30% (около 2 мм между платами).
Если расстояние между платами 10-12 мм и более, то взаимодействие
температурных полей соседних плат незначительное. Величина средней температуры
нагретой зоны имеет различие по температурному полю менее 10%.
В расчёте в следующем порядке определяются: поверхность корпуса блока.
Определяем средний перегрев нагретой зоны.
Исходными данными для проведения последующего расчета являются:
1
коэффициент
заполнения по объему 0,6;
2
суммарная
мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 0,5;
3
давление
окружающей среды, кПа 86,6;
4
давление внутри
корпуса, кПа 86,6;
5
габаритные
размеры корпуса, м 0,085x0,065x0,55;
Средний перегрев нагретой зоны герметичного корпуса блока с естественным
воздушным охлаждением определяется по следующей методике:
1 Рассчитывается поверхность корпуса
блока:
Sk= 2 × [ L1× L2 + ( L1
+ L2 ) × L3 ] (25)
где L1, L2 - горизонтальные размеры корпуса, м;3-
вертикальный размер, м.
Для разрабатываемой конструкции блока L1 = 0,085м, L2=
0,065м,3 = 0,065м. Подставив данные в (25), получим:
Sk = 2·[0,085·0,065+(0,085+0,065)·0,065]=0,03055м2.
2 Определяется условная поверхность
нагретой зоны:
Sз
= 2 × [ L1×L2 + ( L1 + L2 ) ×L3
×Кз] (26)
где КЗ- коэффициент заполнения корпуса по объему. В
данном случае
КЗ = 0,6. Подставляя значение КЗв (26), получим:
Sз = 2·[0,085·0,065+(0,085+0,065)·0,065·0,6]=0,02275м2.
3 Определяется удельная мощность
корпуса блока:
k = P / Sk
(27)
где Р - мощность, рассеиваемая в блоке, Р = 0,5 Вт.
Тогда:
Qk =
0,5/0,03055= 16,37Вт/м2.
4 Определяется удельная мощность
нагретой зоны:
з
= P / Sз (28)
Qз = 0,5 / 0,02275= 21,98 Вт/м2.
5 Находится коэффициент Q1 в зависимости от удельной мощности корпуса блока
формула (29):
Q1 = 0,1472 ×Qk- 0,2962 × 10 -3 ×Qk2 + 0,3127 × 10 -6×Qk3 (29)1 = 0,1472 ×16,37- 0,2962 × 10 -3 ×16,372 + 0,3127 × 10 -6×16,373 = 2,33
Находится коэффициент Q2 в зависимости от удельной мощности
нагретой зоны формула (30):2 = 0,1390 ×Qз- 0,1223 × 10 -3 × Qз2
+ 0,0698 × 10 -6× Qз3 (30)2 = 0,1390 ×30,12 - 0,1223 × 10 -3 ×30,122 + 0,0698 × 10 -6×30,123 = 2,99
6 Определяется коэффициент КН1
в зависимости от давления среды вне корпуса блока:
KH1
= 0,82 + 1 / (0,925 + 4,6 × 10-5×H1) (31)
где Н1 - давление окружающей среды в Па. В нашем случае Н1=86,6кПа.
Подставив значение Н1 в (30), получим:
KH1
= 0,82 + 1 / (0,925 + 4,6 × 10-5× 86,6× 103) = 1,003
7 Определяется коэффициент КН2
в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:
KH2
= 0,8 + 1 / (1,25 + 3,8 × 10-5×H2) (32)
где Н2 - давление внутри корпуса в Па.
В нашем случае Н2=Н1=86,6кПа. Тогда:
KH2 = 0,8 + 1 / (1,25 + 3,8 × 10-5× 86,6× 103) = 1,02
8 Рассчитывается перегрев корпуса
блока:
k = Q1× KH1 (33)
Qк= 2,33 · 1,003 = 2,33
. Рассчитывается перегрев нагретой зоны:
з
= Qk +(Q2 - Q1 ) ×KH2 (34)
з=
2,33 + (2,99 - 2,33) · 1,02 =3,00
. Определяется средний перегрев воздуха в блоке:
в
= (Qк+ Qз) × 0,5 (35)
в=
0,5 · (2,33 + 3,00) = 2,66
. Определяется удельная мощность элемента:
Qэл = Pэл / Sэл
(36)
где Рэл- мощность,
рассеиваемая элементом (узлом), температуру которого требуется определить, Вт
Sэл - площадь поверхности элемента,
омываемая воздухом, см.кв
Наименее теплостойкий элемент базового модуля резистор. Для него Рэл=
0,15 Вт, Sэл = 0,63см.кв.
Qэл = 0,15 / 0,63 = 0,24
. Определяется перегрев поверхности элементов:
Qэл=Qз(0,75+0,25*Qэл/Qз), (37)
Qэл=3,00*(0,75+0,25*0,24/3,00)=2,31;
. Определяется перегрев среды, окружающей элемент:
эс= Qв× (0,75 +
0,25 ×Qэл / Qз ) (38)эс=
2,66*(0,75 + 0,25*2,31/ 3,00) = 2,50;
15. Определяется температура корпуса блока:
Тк = Qк + Тс
(39)
где Тс - температура
среды, окружающей блок.
Тк= 2,33 + 20 = 22,330C
. Определяется температура нагретой зоны:
Тз= 3,00 + 20 = 23,000C
17. Определяется температура поверхности элемента:
Тэл = Qэл + Тс
(41)
Тэл = 2,31 + 20 = 22,31 0C
18. Определяется средняя температура воздуха в блоке:
Тв = Qв + Тс
(42)
Тв= 2,66 + 20 = 22,660C
19. Определяется температура среды, окружающей элемент:
Тэс = Qэс + Тс
(43)
Тэс = 2,50 + 20 = 22,500C
Исходя из расчета можно сделать вывод, что даже при критических
температурных воздействиях и рабочих режимах аппаратура сохраняет свою
работоспособность - прибор удовлетворяет требованиям, поставленным в
техническом задании.
Заключение
В данном курсовом проекте был разработан регулируемый стабилизатор
напряжения с «резисторным теплоотводом». При проектировании были проведены
работы по выбору печатной платы, выбору элементной базы, соответствующей
техническому заданию и схеме электрической принципиальной; определены
необходимые тип, класс точности, метод изготовления и размеры печатной платы.
В ходе проектирования были полностью учтены требования технического
задания. Особое внимание обращалось на условия эксплуатации прибора. Были
произведены проверочные расчеты изделия: расчет на вибропрочность
иударопрочность показал, что конструктивные параметры печатных плат находятся в
заданных пределах для нормальной работы; расчет электрических параметров
печатных проводников; расчет ширины проводников по постоянному току;расчет
собственной частоты пластины. В ходе этих расчетов было подтверждено соответствие
прибора требованиям технического задания.
Произведен компоновочный расчет площади печатной платы. Разработанное
устройство соответствует заданному техническому заданию.
Список литературы
1. Горюнов,
Н.Н. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. М.:Энергоатомиздат,
1985.
2. Захаров,
Ю.В. Управление качеством и надежность электронных схем: Учебное пособие. -
Йошкар-Ола: Периодика Марий Эл, 2002.
. Леухин,
В.Н. Проектирование радиоэлектронных узлов: Учебное пособие.- Йошкар-Ола:
Периодика Марий Эл, 2003.
. Леухин,
В.Н. Выбор элементной базы по эксплуатационным и конструктивным параметрам:
Справочник.- Йошкар-Ола: Периодика Марий Эл, 2003.
5. Лярский,
В.Ф.Мурадян, О.Б. Электрические соединители: Справочник.- М.: Радио и связь,
1988.
. Николаевский,И.Ф.Справочник
по полупроводниковым диодам. - М.: Связь, 1989.
7. Павлов,
Е.П., Шестаков, Я.И.. Конструирование и технология производства
аппаратуры,оборудования, механизмов и машин: Учебное пособие.- Йошкар-Ола:
Периодика Марий Эл, 2001.
. Справочник
радиолюбителя. Полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Электронная
база данных.
. Четвертков,
И.И.,Дьяконов, М.Н. Конденсаторы: Справочник.- М.: Радио и связь, 1993.
. Четвертков,И.И.
Резисторы: Справочник. - М.: Энергоиздат, 1981.