3. Конструкторская часть проекта

Существует четыре принципа конструирования печатных плат (ПП):

1) моносхемный

2) схемно-узловой

3) каскадно-узловой

4) функционально-узловой.

1) При моносхемном принципе конструирования полная электрическая принципиальная схема изделия располагается на одной печатной плате, все компоненты платы устанавливаются последовательно, в первую очередь размещаются цепи наиболее чувствительные к внешним воздействиям, плата имеет прямоугольную форму, на которой входы и выходы цепи разнесены по противоположенным сторонам платы.

Достоинства: простота, отсутствие блочных соединений, высокая надежность, низкий вес и низкая цена.

Недостатки: трудность обслуживания (при выходе из строя одного элемента необходимо заменить всю плату).

2) При схемно-узловом принципе конструирования на одной печатной плате располагается часть полной принципиальной схемы имеющие входные и выходные характеристики. Этот принцип аналогичен с моносхемным.

Достоинства: универсальность, простота, легкий ремонт изделий.

Недостатки: сложность соединения деталей, невысокая надежность и наличие паразитной емкости.

3) При каскадно-узловом принципе конструирования полная принципиальная схема разделяется на каскады специального назначения и каждый каскад устанавливается на отдельной ПП. Упрощение производительности ПП повышает число вспомогательных компонентов, что повышает стоимость изделия.

Достоинства: простота обслуживания, стойкость к механическим воздействиям. Недостатки: большой вес, наличие паразитной емкости.

4) При функционально-узловом принципе конструирования полная принципиальная схема делится на узлы. Узлы располагаются на отдельных ПП, что позволяет набирать из отдельных узлов принципиальные схемы любого назначения.

Достоинства: надежность, универсальность, большая плотность деталей. Недостатки: много механических соединений, что усложняет процесс монтажа и сборки изделия.

Более сложной и ответственной задачей при конструировании ЭВТ является компоновка разработанного изделия.

Компоновка – это размещение на плоскости или в пространстве различных элементов схемы и изделий. Элементами могут быть: ЭРЭ, функциональные узлы различных конструкций (микросхемы, блоки).

В результате компоновки должны быть определенны геометрические размеры и формы всех элементов конструкции. Компоновка производится по схеме электрической принципиальной. Конструктор должен создать модель изделия с учетом различных факторов и требований ТЗ. Конструктору необходимо принять решение и учесть условия производства и эксплуатации изделия, от того насколько правильно выполнена компоновка зависят технические и эксплуатационные характеристики изделия, его ремонтопригодность и надежность. При разработке и компоновке приходится учитывать сложную совокупность факторов, связанных с особенностью функционирования и эксплуатации изделия. Учитываются электрические параметры и тепловые режимы, определяются геометрические размеры и формы отдельных элементов конструкции.

Методы компоновки:

1) Натуральное объемное моделирование (использования реальных элементов).

2) Метод аппликации (все стандартные детали вырезаются из картона в реальном виде, затем конструктор располагает их на поле чертежа платы).

Компоновка должна удовлетворять следующим требованиям:

1) Между отдельными элементами, узлами, блоками должны отсутствовать паразитные электрические взаимосвязи, которые могут изменить характеристики и нарушить функционирование элементов.

2) Тепловые поля, возникающие в ЭВТ, вследствие перегрева отдельных элементов не должны нарушать технические характеристики аппарата.

3) Необходимо обеспечить легкий доступ к деталям, узлам, блокам в конструкции для контроля, ремонта и обслуживания.

4) Габариты и масса изделия должны быть небольшими.

Критерии качества компоновки конструкции.

Основными параметрами компоновки являются: объем, масса и площадь аппаратуры. Для определения качества компоновки необходимо оценивать как качество компоновки в целом, так и отдельные элементы.

В данном курсовом проекте используется моносхемный принцип конструирования, так как этот метод имеет низкую стоимость, достаточную надежность, а также отсутствуют блочные соединения. Шаг координатной сетки 2,5 мм. Методом компоновки выбрано натуральное объемное моделирование.

Конструкторский расчёт печатной платы УПМ

Конструкторский расчет производится по следующим формулам:

• Шаг координатной сетки 1,25 мм

• Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току:

b_min = I_max / J_доп × t

• Определяем минимальную ширину проводника исходя из допустимой потери напряжения на нем:

b_min2 = I_max × I × p / U_доп × t

• Номинальное значение диаметра монтажных отверстий для микросхем, резисторов, диодов, стабилитронов, транзисторов, конденсаторов:

d = d_Э + |6d_ИЭ| + Г

d_Э = 0,5 мм

d = 0,9 мм

для разъемов

d_Э = 1 мм

d = 1,4 мм

• Рассчитанные значения сводятся к предпочтительному ряду размеров монтажных отверстий: 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5.

Номинальное значение диаметров монтажных отверстий для разъёма d = 1,5 мм.

• Минимальное значение диаметра металлизированного отверстия:

b_min ≥ H_ПЛ × γ

• Диаметр контактной площадки:

D = d + Δd_BO + 2bm + Δb_BO + (δ²_d+ δ²_p+Δb²_HO)^1/2

• Определение номинальной ширины проводника:

b = b_MD + |b_HO|

• Расчёт зазора между проводниками:

S = S_MD + Δb_BO

• Расчёт минимального расстояния для прокладки двух проводников между отверстиями с контактными площадками диаметром DI 1) 2

L = (Dl + D2/2) + b_N + S (n – 1) + δ1

Формулы для расчета размера элементов конструкции ПП (ОПП, ДПП, Г'ПП). Стандарт (25.347–82) устанавливает основные параметры конструкции ПП.

Ø Наименьший номинальный диаметр контактной площадки расчитывают по формуле:

D = (d + Δb_BO) + 2b + Δt_BO + 2Δd_TP + (T²_d + T²_p + Δt²_ПО)

Δd_BO – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия.

Δt_BO – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки

Δd_TP – значение подтравливания диэлектрика в отверстии (для ОПП и МПП) равно 0,03 мм; для ДПП и ГПК равно 0.

Δt²_ПО – нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки.

Ø Наименьшее номинальное расстояние 1 n-го количества проводников рассчитывают по формуле:

l = (Dl + D2/2) + th + S (n – 1) + T

D1 и D2 – диаметры контактных площадок

n – количество проводников

Ø толщина многослойной печатной платы рассчитывают по формуле:

Hn = ΣHc + (0.6…0,9) ΣHnp

Нп – толщина МПП Не – толщина слоя МЛН

Нпр – толщина прокладки изоляционного основания (по стеклоткани)

4. Технологическая часть проекта

Процесс соединения отдельных деталей и материалов, обеспечивающий их взаимное расположение в сборочных единицах, системах, называется сборкой.

Закрепление деталей и материалов в необходимом положении, называется установкой.

Технологический процесс, включающий сборку и установку, называется монтажом. Формовка выводов элементов применяется с целью увеличения расстояния от корпуса элемента до места пайки. ИМС устанавливаются на расстоянии 1–1,5 мм от монтажной плоскости, с целью более эффективного охлаждения. Установка РЭ должна обеспечить надёжное механическое и электрическое соединение.

Пайка технологический процесс, при котором обеспечивается неразъёмное соединение металлических или металлизированных поверхностей деталей. Соединение осуществляется припоем. Прочность паяного соединения обеспечивается в результате взаимного растворения и диффузии металла соединяемых поверхностей и припоя. При пайке основной материал не плавится. От нагрева спаиваемых деталей зависит степень взаимного проникновения припоя и основного материала. С целью защиты от воздействия кислорода во время пайки используются флюсы.

В технологический процесс пайки входят следующие операции:

1. Подготовка спаиваемых поверхностей.

2. Прогрев спаиваемых поверхностей с одновременным нанесением на места пайки флюса и припоя.

3. Фиксация соединяемых деталей и выдержка в одном положении до полного застывания припоя.

4. Очистка места пайки от остатков флюса и других отходов процесса пайки.

К специальному контролю токоведущих частей монтажа относится проверка целости и соответствия цепей, состояния изоляции и величины переходных сопротивлений. Под целостью подразумевается отсутствие в ней обрыва. Целость цепей и правильность их проверяются прозвонкой. Для прозвонки используют тестеры, вольтметры, пробники.

По способам контроля различают:

1. визуальный.

2. геометрический.

3. механический.

4. электрический.

5. технологический.

Визуальным контролем выявляется наличие дефектов на поверхности детали, сборочной единицы. При визуальном контроле проверяются качества паек, состояние разъемных соединений, наличие изломов проводов и жил в многожильных кабелях, плавность хода переменных резисторов, конденсаторов.

Геометрическим контролем проверяют соответствие размеров и форм деталей, сборочных единиц образцам и чертежам.

Механический контроль выполняется для проверки прочности крепления деталей, сборочных единиц, а так же различных соединений электрического монтажа. Для проверки применяют различные динамометры.

Электрический контроль осуществляется путем проверки на соответствие картам сопротивлений или напряжений, а так же различных параметров на соответствие техническим требованиям или программе контроля.

Технологический контроль состоит в проверке правильности проведения всех операций технологического процесса. Этот контроль необходим для предотвращения нарушений технологических режимов из-за замены материалов, неисправного действия оборудования и так далее.

После завершения полного контроля изделия сравнивают полученные характеристики и параметры с заданными. Если отклонение заданных параметров от полученных больше 10%, то изделие бракуется и возвращается на доработку. Если изделие отвечает заданным параметрам, то оно запускается в эксплуатацию.

Этапами технологического процесса сборки монтажа и наладки макета для программирования и отладки программ является:

1) Входной контроль печатной платы и элементов на соответствие заданному качеству, производится на рабочем столе при помощи лупы с пятикратным увеличением.

2) Лужение выводов, устанавливаемых радиоэлементов. Производится на полуавтоматической линии лужения с применением припоя «ПОС-61» и флюса «ЛТИ-120».

3) Формовка и обрезка выводов устанавливаемых радиоэлементов производится на специализированной установке. Замеры производятся штангенциркулем.

4) Контроль подготовленных к пайке радиоэлементов на соответствие заданным параметрам производится на радиомонтажном столе с применением мультитестора и лупы с пятикратным увеличением.

Разр. Дружков Н.А.                        Пров. Камышникова Л.А.

5) Монтаж элементов на печатную плату производится на радиомонтажном столе с применением пинцета и плоскогубцев.

6) Пайка выводов радиоэлементов к контактным площадкам печатной платы производится методом волны, в специализированной ванне с применением припоя «ПОС-61».

7) Электрический контроль печатного узла производится на специализированном стенде для электрического контроля, путём подключения к модулю питания и периферийных устройств.

8) Промывка печатного узла для удаления остатков флюса производится на специальной виброустановке в спирто-бензиновой смеси.

9) Сушка печатного узла для испарения остатков спирто-бензиновой смеси производится в сушильной камере с регулирующимся температурным режимом.

10) Лакирование печатного узла с нанесением защитного покрытия лака, производится в покрасочной камере с использованием лака «УР-231».

11) Сушка печатного узла для затвердевания лака производится в сушильной камере с регулирующимся температурным режимом.

12) Визуальный (окончательный) контроль печатного узла производится на радиомонтажном столе с помощью лупы с пятикратным увеличением.

13) Настройка и проверка работопригодности макета для программирования и отладки программ проверяется с помощью персонального компьютера, конкретно установкой микроконтроллеров серий 12ХХ и 16ХХ фирмы Microchip в слоты для программирования Х3 и Х5.

Процесс сборки, монтажа и наладки радиоэлектронной аппаратуры сопровождается вредными воздействиями различных веществ, приборов и электрического тока на организм человека. Поэтому, создание здоровых и безопасных условий труда на предприятии – важнейшая задача, возлагаемая на администрацию, которая обязана внедрять современные средства техники безопасности, предупреждать производственный травматизм и создавать санитарно-гигиенические условия, предотвращающие возникновение профессиональных заболеваний. Производственные здания, сооружения, оборудование, технологические процессы должны отвечать всем требованиям, обеспечивающим здоровье и безопасные условия труда. Ни одно предприятие, цех, участок производства не могут быть приняты и введены в эксплуатацию, если на них не обеспечены эти условия.

При выполнении монтажных работ необходимо строго соблюдать основные правила техники безопасности.

Наиболее опасно поражение электрическим током. Действие тока на организм человека зависит от силы тока, частоты, напряжения, продолжительности воздействия, пути прохождения и индивидуальных особенностей организма человека. Чем выше сила тока, тем больше опасность (ток 0,1 А и выше, как правило, смертелен для человека). Чем больше напряжение, тем меньше сопротивление кожи. Относительно безопасным является напряжение не выше 40 В. Более высокие напряжения, особенно широко используемые промышленные напряжения 220 и 380 В, могут привести к смерти.

Опасность действия тока увеличивается с уменьшением частоты тока (наиболее опасны для человека токи промышленной частоты) и с увеличением времени воздействия тока на человека Токи высокой частоты (50 кГц и выше) не смертельны, но могут причинить сильные ожоги.

Вытаскивать шнур со штепсельной вилкой из сетевой розетки необходимо за корпус вилки, а не за шнур, иначе можно выдернуть не вилку, а один из проводов. На рабочем месте во время работы не должно быть посторонних материалов, инструментов и деталей, так как это снижает производительность труда и приводит к травмам рук монтажника.

Жидкости, применяемые для промывки мест паек (спирт, растворитель, скипидар), следует хранить в посуде, хорошо закрывающейся пробками.

Чтобы сократить до минимума испарение, посуду открывают только в момент пользования жидкостью. Запрещается промывать пайки бензином, так как это может привести к пожару.

При работе с паяльником следует беречь руки от ожогов. Чтобы предохранить руки от ожога, детали держат пинцетом или сложенной в несколько слоев тряпкой.

Мелкие детали и неизолированные провода при пайке поддерживают пинцетом или плоскогубцами.

Особенно следует опасаться разбрызгивания расплавленного припоя. В таких случаях надо беречь глаза, так как мельчайшие частицы горячего припоя, попадая на глазное яблоко, могут вызвать серьёзное повреждение глаз.

Очень осторожно надо залуживать концы проводов и выводов деталей при использовании ванночки с расплавленным оловом. Ванночка должна стоять устойчиво, а перед включением в сеть для расплавления припоя её необходимо ставить на большой противень из стали или латуни с бортами высотой 10–15 мм по краям. Такой противень предохранит расплавленный припой от растекания по столу, если ванночка случайно опрокинется. Противень с ванночкой нельзя переносить до тех пор, пока припой не застынет.

Существуют различные меры предохранения от вредных воздействий:

А) меры предохранения от поражения электрическим током;

Б) меры предохранения от ожогов и отравления;

В) меры предохранения от взрывов и пожаров.

А) меры предохранения от поражения электрическим током

1. Лица, допущенные к лужению и пайке с электрическим нагревом, должны быть проинструктированы по технике электробезопасности.

2. Корпуса электрических машин и трансформаторов должны быть надёжно заземлены. (При работе на установках с ламповыми генераторами для защиты от вредного влияния ТВЧ необходимо устанавливать специальные экраны).

3. Напряжение питания паяльника должно быть не выше 36 В.

4. Электрические провода, подводящие питание к рабочему месту, должны быть надежно изолированы и защищены от механических повреждений.

Б) меры предохранения от ожогов и отравления

1. Места где производится пайка должны быть оборудоваться местными вытяжными устройствами, обеспечивающими скорость движения воздуха непосредственно на месте пайки не менее 0,6 метров в секунду. Помещения, в которых размещаются участки пайки, необходимо обеспечить приточным воздухом, подаваемым равномерно в верхнюю зону, в количестве, составляющем, примерно, 90% объёма вытяжки.

2. Для предохранения глаз от ожогов необходимо пользоваться защитными очками.

3. При пайке в соляных ваннах пользоваться специальной одеждой (халат или комбинезон, асбестовые рукавицы). На рабочем месте должны находиться необходимые средства противопожарной безопасности (песок, лопаты, кошма и др.)

4. При работе с ваннами расплавленных солей или флюсов запрещается пользоваться холодным загрязненным влажным инструментом и загружать в ванну не высушенные и не очищенные от масла детали.

5. При пайке на специализированных установках перед началом работы следует изучить правила эксплуатации соляных ванн, изложенные в соответствующих технических описаниях.

6. Необходимо знать и соблюдать меры предосторожности при работе с газовыми горелками (следить за герметичностью аппаратуры и шлангов, не паять вблизи огнеопасных материалов и т.п.).

В) меры предохранения от взрывов и пожаров

1. При пользовании баллонами с инертными и горючими газами предохранять их от толчков, ударов и нагрева, укреплять в вертикальном положении в специальных стойках.

2. При лужении и пайке магния и его сплавов соблюдать «Временные правила по технике безопасности и противопожарной безопасности при литье, механической и других видах обработок магниевых сплавов».

3. При пайке в печах с восстановительной атмосферой соблюдать правила, обеспечивающие взрывобезопасность.

Под надёжностью устройства понимается его свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.

Состояние, при котором схема способна выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно – технической документацией (НТД) называется работоспособным. Если значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность устройства выполнять заданные функции, не соответствует установленным НТД требованиям, то оно находится в неработоспособном состоянии. Нарушения работы устройства называется отказом.

Под сбоем логического элемента (узла) понимается непредусмотренное изменение состояния этого элемента (узла), после которого работоспособность самовосстанавливается или восстанавливается оператором без проведения ремонта.

Главными свойствами объекта, обеспечивающими его надёжность, являются свойства:

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждению и устранению их последствий путём проведения ремонта и технического обслуживания.

Долговечность – свойство объекта сохранять способность до наступления предельного состояния с необходимыми прерываниями для технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправность и работоспособное состояние в течении и после хранения и (или) транспортировки. Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной переработки отказ не возникает.

Наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию количества его отказов в течении этой наработки.

Расчет надежности – это определение качественных характеристик надежности с целью выявления слабых мест в электрических схемах и изыскания путей повышения надежности. Рассчитанные данные должны соответствовать техническим условиям. В случае получения надежности ниже требуемой должны быть приняты меры для её повышения.

Существует несколько методов определения надежности и они делятся на две группы: приближенный или ориентировочный, полный или окончательный расчёт. В данном курсовом проекте использован приближенный метод расчета надежности по экспоненциальному закону. Исходными данными для расчета являются: схема электрическая принципиальная и справочные данные интенсивности отказов. Данные для расчета приведены в таблице. Предполагается, что данное устройство будет работать в нормальных условиях эксплуатации.

Таблица 5