Леухин В.Н., Павлов Е.П. Проектирование радиоэлектронного узла на печатной плате - файл n2.doc

Леухин В.Н., Павлов Е.П. Проектирование радиоэлектронного узла на печатной плате
скачать (796.7 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.
n2.doc4310kb.16.06.2003 17:22скачать

n2.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Марийский государственный технический университет
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО УЗЛА

НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ

Учебное пособие

Йошкар-Ола

2002


ББК 32.844.16

Л52

УДК (621.382.049.75) (07)

Рецензенты: отдел радиоэлектронной и сложной бытовой техники НИИ "Мейкон" ПО "Изотоп" (нач. отдела В.И.Блюм);

начальник отдела АО "ОКБ Фармбиомаш" А.Г.Исаев

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

Леухин В.Н., Павлов Е.П.

Л52 Проектирование функционального узла на печатной плате: Учебное пособие,- МарГТУ, 2002.- 115 с. JSBN 5-2З0-000416-9

Рассмотрены конструктивно-технологические основы проектирования функциональных узлов на печатных платах. Даны рекомендации по последовательности выполнения ра­боты, рассмотрены особенности выполнения отдельных этапов, представ­лены необходимые справочные данные. Изложена методика проведения проверочных расчетов конструкций ФУ на ПП. Определены требования к комплекту конструкторской до­кументации.

Для студентов специальности 200700, 201100

2706040000-15 Без объявл. ББК 32.844.1

ЧКО 03 - 96

JSBN 5-230-00416-9

(С) Леухин В.Н., 2001

(С) Марийский государственный технический университет, 2002

ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на значительный прогресс в области совершенство­вания элементной базы, применение в конструкциях РЭС бескор­пусных микросхем и микросборок, различных функциональных микро­электронных устройств, разработке новых систем коммутации (ке­рамических плат, крупноформатных оксидированных или глазурован­ных металлических плат), функциональные узлы на печатных платах (ФУ на ПП) по-прежнему составляют основу большинства конструк­ций РЭС. Причиной этого является отработанность конструкций и технологии печатного монтажа, возможность механизации и автома­тизации сборки аппаратуры, повторяемость параметров от образца к образцу, невысокая стоимость монтажно-сборочных работ.

Вместе с тем, применение интегральных схем и стремление к миниатюризации устройств приводит к повышению плотности про­водящего рисунка печатного монтажа, что вызывает ряд конструк­тивно-технологических трудностей при реализации печатных плат. Преодоление этих трудностей и выпуск печатных плат высокого качества возможны только при комплексном учете всех особен­ностей процессов конструирования и производства печатных плат. Применяемый технологический процесс, с одной стороны, накла­дывает ограничения на точность выполнения рисунка печатного монтажа, а, с другой стороны, необходимая высокая плотность проводящего рисунка в значительной мере определяет требования к технологическому процессу изготовления плат. При этом важней­шим, узловым этапом реализации платы, являющимся итогом конст­рукторской проработки рисунка печатного монтажа и началом тех­нологического процесса его получения, служит этап выполне­ния оригинала.

Таким образом, проектирование функциональных узлов на печатных платах требует знания как конструктивных особеннос­тей, так и технологических ограничений печатного монтажа. Широкое использование в настоящее время систем автоматичес­кого проектирования печатных плат позволяет существенно уменьшить затраты труда и обеспечить высокое и стабильное каче­ство проектирования. Однако эти потенциальные возможности могут быть реализованы при условии, что разработчик печатных плат хорошо подготовлен как в области методов и средств вы­числительной техники, так и в области конструирования ПП.

ВВЕДЕНИЕ
Процесс конструирования РЭС, и в частности, устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения, является сложным, многогранным, ориентированным на иерархическое построение конструкций. Из всего многообразия конструкций и их уровней в контрольной работе затрагивается один из начальных уровней – радиоэлектронный узел на печатной плате. Несмотря на значительный прогресс в области совершенство­вания элементной базы, применение в конструкциях РЭС бескор­пусных компонентов и компонентов для монтажа на поверх-ность, различных функциональных микро­электронных устройств, разработке новых систем коммутации (ке­рамических плат, крупноформатных оксидированных алюминиевых плат), подобные узлы по-прежнему составляют основу большинства конструк­ций РЭС. Причиной этого является отработанность конструкций и технологии печатного монтажа, возможность механизации и автома­тизации сборки аппаратуры, повторяемость параметров от образца к образцу, невысокая стоимость монтажно-сборочных работ.

Вместе с тем, применение интегральных схем и стремление к миниатюризации устройств приводит к повышению плотности про­водящего рисунка печатного монтажа, что вызывает ряд конструк­тивно-технологических трудностей при реализации печатных плат. Преодоление этих трудностей и выпуск печатных плат высокого качества возможны только при комплексном учете всех особен­ностей процессов конструирования и производства печатных плат. Применяемый технологический процесс, с одной стороны, накла­дывает ограничения на точность выполнения рисунка печатного монтажа, а, с другой стороны, необходимая высокая плотность проводящего рисунка в значительной мере определяет требования к технологическому процессу изготовления плат.

Таким образом, проектирование радиоэлектронных узлов на печатных платах требует знания как конструктивных особеннос­тей, так и технологических ограничений печатного монтажа. Широкое использование в настоящее время систем автоматичес­кого проектирования печатных плат позволяет существенно уменьшить затраты труда и обеспечить высокое и стабильное каче­ство проектирования. Однако эти потенциальные возможности могут быть реализованы при условии, что разработчик печатных плат хорошо подготовлен как в области методов и средств вы­числительной техники, так и в области конструирования ПП.

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы заключается в приобретении навыков по проекти­рованию радиоэлектронных узлов на печатных платах с учетом огра­ничений, накладываемых условиями эксплуатации и условиями производства, особенностями схемотехнического назначения РЭС, проведении необходимых конструктивных расчетов, оформлении комплекта конструкторской документации.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ

Радиоэлектронные узлы на печатных платах являются основным конструктивным элементом любого РЭС. Процесс их проектирования достаточно формализован, имеет строгую последовательность, но в то же время требует творческого подхода к выполнению многих этапов (например, решение вопросов компоновки элементов на печатной плате, топологического проектирования).

Знание принципов проектирования печатных узлов необходимо всем разработчикам РЭС: как использующим вычислительную техни­ку, так и работающим «вручную». Большинство идей ручного проекти­рования лежит в основе эвристических алгоритмов машинных прог­рамм. Ряд программ основан на диалоге человека и машины. Безус­ловно, в этом случае пользователь должен иметь достаточные теоретические знания и практические навыки по проектированию печатных узлов.

Чем обусловлено широкое применение печатных узлов в РЭС? Использование печатного монтажа позволяет получить следующие преимущества:

уменьшить габариты и массу РЭС;

автоматизировать все основные технологические операции, включая травление, сверление отверстий, сборку, пайку и конт­роль;

повысить надежность за счет уменьшения общего числа паяных соединений;

получить высокую идентичность электрических и конструктивных параметров от изделия к изделию;

обеспечить высокую производительность и низкую себестоимость в условиях серийного производства.

Вместе с тем, печатный монтаж имеет рад ограничений и недостатков:

невозможность расположения на печатной плате элементов со значительной массой, а также работающих при больших напряже­ниях и токах;

ограниченную ремонтопригодность;

высокую себестоимость в условиях индивидуального производст­ва за счет высокой стоимости оснастки и инструментов.

2.1. Термины и определения

Термины по печатным платам и узлам приведены в ГОСТ 20406-75 и ОСТ 4Г0.010.011.

Печатный проводник - участок токопроводящего покрытия (слоя) нанесенного на изоляционное основание.

Печатный монтаж - система печатных проводников, обеспечи­вающая электрическое соединение схемы или экранирование.

Печатная плата - изоляционное основание с нанесенным на его поверхность печатным монтажом.

Элементы печатного монтажа - проводники, контактные пло­щадки, зенковки, экраны, вырезы в экранах, зазоры, отверстия, маркировка и т.д.

Навесные элементы - электро- и радиоэлементы, устанавли­ваемые на печатной плате и имеющие электрический контакт с печатным монтажом.

Контактный переход - токопроводящий участок, обеспечивающий электрический контакт между проводниками, находящимися на различных слоях или сторонах платы.

Переходное отверстие - контактный переход,выполненный в виде металлизированного отверстия.

Металлизированное отверстие - отверстие в печатной плате, на стенки которого нанесен слой металла, или отверстие, в которое вставлена пустотелая заклепка, имеющая электрический контакт с печатным монтажом.

Монтажное отверстие - отверстие, предназначенное для закрепления выводов навесного элемента.

Контактная площадка - металлизированный участок, окружаю­щий отверстие.

Координатная сетка - сетка, определяющая положение кон­тактных и монтажных отверстий, а также печатных'проводников и других элементов на изображении платы в прямоугольной или полярной системе координат.

Шаг координатной сетки - постоянная величина, определяющая расстояние между соседними линиями координатной сетки.

Узел координатной сетки - точка пересечения линий коор­динатной сетки.

По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные и многослойные (МПП). Однослойные ПП 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 - то двухсторонней (ДПП). Многослойная ПП состоит из нес­кольких печатных слоев, изолированных склеивающими проклад­ками.
2.2 Техническое задание на проектирование
Конкретное конструктивное исполнение ФУ на ПП во многом зависит от условий эксплуатации (от уровня механических и климатических воздействий), схемотехнического назначения (вида аппаратуры, диапазона частот, рассеиваемых мощностей, коэффициента усиления сигнала и т.д.), используемой элемент­ной базы, особенностей установки ФУ в конструктивы старшего уровня (субблоки, блоки, приборы), тиражности выпуска. Основные требования вытекают из технического задания, которое выдается в виде шифра, например:

1 1 2 УХЛ 4




категория размещения

климатический район климатическое

исполнение

условия производства

конструктивное исполнение

тип аппаратуры (по объекту установки)

Тип аппаратуры (первый элемент обозначения):

1 - стационарная;

2 - носимая;

3 - возимая на автомобильном транспорте;

4 - возимая на гусеничном транспорте;

5 - морская (судно);

6 - авиационная ( с поршневым двигателем);

7 - авиационная (с реактивным двигателем);

8 – ракетная и космическая;

9 - буйковая.

Тип аппаратуры обуславливает уровень механических воз­действий и действующую систему стандартов применительно к объекту установки (например, система базовых несущих конст­рукций возимой аппаратуры, которая предопределяет возможные габаритные размеры печатных плат, несущие рамки, способ их установки в блок и т.д.). Параметры механических воздействий приведены в таблице 2.1.

Конструктивное исполнение (второй элемент обозначения);

1 - автономный блок;

2 - герметичный блок;

3 - блок в составе стойки;

4 - составная часть блока (субблок).

Условия производства (третий элемент обозначения):

0 - опытный образец;

1 - опытная партия (10 шт.);

2 - установочная серия (100 шт.);

3 - мелкосерийное производство ( 1000 шт.);

4- среднесерийное производство ( 10000 шт.),

5 - крупносерийное производство ( 100000 шт.),

6 - массовое производство (более 100000 шт.).

В зависимости от объема производства будут изменяться требования к автоматизации установки элементов (см. п. 3.9), способам маркировки, методам изготовления ПП, классам точности ПП.

Климатическое исполнение (четвертый и пятый элемент обозначения) включает климатический район и категорию размещения по ГОСТ I5I50 - 69. Различают следующие укрупненные категории размещения: I - на открытом воздухе; 2 - под на­весом; 3 - в закрытых неотапливаемых помещениях с естествен­ной вентиляцией; 4 - в отапливаемых помещениях с искусствен­ным климатом; 5 - в помещениях с повышенной влажностью, при­водящей к частой конденсации влаги (шахты, подземные сооружения, трюмы кораблей). Буквенный код в обозначении климати­ческого исполнения характеризует климатический район: У - умеренный климат; УХЛ - умеренный и холодный; ХЛ - хо­лодный; ТВ - тропический влажный; ТС - тропический сухой; ТМ - тропический морской; М - умеренный холодный морской; О - общеклиматическое исполнение для суши ; ОМ - общеклима­тическое морское исполнение; В - всеклиматическое исполнение для суши и моря (кроме Антарктиды).

Значение температуры окружающего воздуха для перечислен­ных климатических исполнений приведено в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Параметры механических воздействий на РЭС


Аппаратура и условия ее работы

Вибрация

Ударное ускорение,

g

Линейное ускорение,

g

Акустическое воздействие

частота, Гц

амплитуда, мм

ускоре­ние, g

f, Гц

Р, Дб

Стационарная аппаратура

10...55




до 2

до 50










Переносная аппаратура

10...2000




до 10

до 50










Наземный транспорт:






















гусеничный.

20...2000

0,05

до 10

200...400










автомобильный

0...15

10...40




до 50










железнодорожный

2...3 (100)

до 40 (до 2)




до 50










Морской транспорт:






















корпус

1...15

1,5...3




200…400

до 6







мачты

0...15

до 40
















Авиационный транспорт:






















с поршневым двигателем

5...150

0,15




15...30










с реактивным двигателем

5...500 (2000)

27...0,15







до 5

150...9600

до 165

Ракеты:






















большие

10...3000




до 40

до 50

5...15

150...9600

до 165

малые

50…5000




до 30

до 100

30...50

150…9600

до 165

Падение аппаратуры с вы­соты 30...50 см на бетон­ный пол










550










Таблица 2.2

Значения температуры окружающего воздуха при эксплуатации в зависимости от климатического исполнения и категории размещения

Испол- нение изделия

Категория размеще-ния

3начения температуры воздуха при эксплуатации Со.


Рабочие

Предельные рабочие

верхнее значение

нижнее значение

среднее значение

верхнее значение

нижнее значение

1

2

3

4

5

6

7

У

1;1.1;2;



















2.1;3

+40

-45

+10

+45

-50




3.1

+40

-10

+10

+45

-10




5;5.1

+35

-5

+10

+35

-5

ХЛ

1;1.1;2;



















2.1:3

+40

-50

+10

+45

-60




3.1

+40

-10

+10

+45

-10




5;5.1

+35

-10

+10

+35

-10

УХЛ

1; 1.1;2



















2.1; 3

+40

-60

+10

+45

-60




3.1

4

+40

+35

-10

+1

+10

+20

+45

+40

-10

+1




4.1

4.2

+25

+35

+10

+10

+20

+20

+40

+40

+1

+1




5;5.1

+35

-10

+10

+35

-10

ТВ

1;1.1;2;2.1;



















3; 3.1

+45

+1

+27

+50

+1




4

+45

+1

+27

+50

+1




4.1

+25

+10

+20

+40

+1




4.2

+45

+10

+27

+45

+10




5; 5.1

+35

+1

+10

+35

+1

T,TC

1;1.1; 2;



















2.1;3;3.1

+45

-10

+27

+55

-10




4

+45

+1

+27

+55

+1




4.1

+25

+10

+20

+40

+1




4.2

+45

+10

+27

+45

+10




5;6.I

+35

+1

+10

+35

+1

0

I;I.I;2



















2.1

+45

-60

+27

+55

-60




4

+45

+1

+27

+55

+1




4.1

+25

+10

+20

+40

+1




4.2

+45

+10

+27

+45

+1




5;.5.1

+35

-10

+10

+35

-10

М

1;1.1;2



















2.1;3,5;5.1

+40

-40

+10

+45

-40




4; 3.1

+40

-10

+20

+40

-10




4.1

+35

+25

+20

+40

+1




4.2

+40

+1

+20

+40

+1

Окончание табл. 2.2

Испол­нение изделия

Категории размещения

Значения температуры воздуха при эксплуатации С0

Рабочие

Предельные рабочие

верхнее значение

нижнее значениe

среднее значение

верхнее значение

нижнее значение

ТМ

1; 1.1; 2; 2.1; 3; 5; 5.1

+45

+1

+27

+45

+1




4

+45

+1

+27

+45

+1




4.1

+25

+10

+20

+40

+1




4.2

+45

+1

+27

+45

+1






















ОМ

1; 1.1; 2; 2.1; 3; 5;5.1

+45

-40

+27

+45

-40




4; 3.1

+45

-10

+27

+45

-10




4.1

+35

+15

+20

+40

+1




4.2

+40

+1

+27

+40

+1




1; 1.1; 2;



















2.1; 3;

+45

-60

+27

+55

-60




3.1

+45

-10

+27

+55

-10

В'

4

+45

-10

+27

+55

-10




4.1

+25

+10

+20

+40

+1




4.2

+45

+1

+27

+45

+1




5; 5.3

+45

-40

+27

+45

-40


3 ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУ НА ПП

Проектирование функциональных узлов на печатных платах является многостадийным творческим процессом, основная особен­ность которого заключается в возможности синтезировать боль­шое количество компоновочных схем и вариантов разводки, отли­чающихся друг от друга степенью устойчивости к механическим воздействиям, приспособленностью к автоматизации сборки и монтажа, величиной паразитных параметров, массогабаритными показателями и т.д. Поэтому после определенной проработки конструкции производится анализ варианта на соответствие тех­ническому заданию, выполняются необходимые расчеты. В слу­чае, если необходимые параметры конструкции не достигнуты, производится корректировка варианта или прорабатывается но­вый вариант. В общем виде проектирование печатного узла сос­тоит из следующих этапов:

1) анализ технического задания на проектирование ;

2) анализ схемы электрической принципиальной;

3) выбор элементной базы;

4) выбор типа печатной платы и класса точности печатной платы;

5) выбор элементов внешних электрических соединений;

6) выбор.варианта установки электрорадиоэлементов

7) выбор метода изготовления печатной платы;

8) выбор материала печатной платы;

9) определение размеров печатной платы;

10) компоновка элементов на печатной плате;

11) трассировка печатной платы;

12) выбор диаметров монтажных отверстий, диаметра крепежных отверстий, диаметра контактных площадок;

13) выбор покрытий

14) проведение конструкторских расчетов;

15) корректировка компоновки и топологии по результатам рас­четов;

16) оформление комплекта конструкторской документации.

3.1 Анализ технического задания на проектирование

При анализе технического задания необходимо выяснить следующий круг вопросов:

уровень механических воздействий в зависимости от объекта установки (по данным таблицы 2.1)

диапазон рабочих температур и воздействие других климати­ческих факторов в зависимости от климатического района и кате­гории размещения РЭС (по данным таблицы 2.2)

ограничения, накладываемые объемом производства печатного узла на выбор ряда конструктивных решений (выбор способа изготовления печатной платы, класса точности печатной платы, ориентацию компонентов на печатной плате);

способ установки печатного узла в блоке (вертикальная или го­ризонтальная ориентация, направление механических воздействий, и теплового потока по отношению к расположению компонентов, способ механического закрепления узла);

будет ли изменяться давление окружающей среды в процессе эксплуатации ФУ на ПП (не герметичные блоки бортовой РЭА). Данное обстоятельство сказывается на величине пробивного напря­жения между элементами печатной схемы, изменении условий конвективного теплообмена.

Проведенный анализ технического задания предваряет выбор основных конструктивно-технологических решений при проек­тировании ФУ на ПП.
3.2. Анализ схемы электрической принципиальной

Электрическая принципиальная схема для конструктора яв­ляется основным исходным документом и главным ограничением. При анализе исходной схемы необходимо определить назначение узла (аналоговый или цифровой узел, выполняемые функпии), диапазон рабочих частот, величины действующих напряжений и токов, элементы схемы, выносимые за пределы печатного узла.

Проектирование узла тем сложнее, чем выше диапазон ра­бочих частот, больше коэффициент усиления, выше действующее напряжение. В связи с этим при компоновке и трассировке следует руководствоваться следующим:

1) усилителые устройства желательно располагать в ви­де линейки отдельных каскадов, стремясь при этом минимизировать длину межкаскадных связей, максимально разнести входные и вы­ходные цепи. Для таких устройств не следует стремиться к мак­симально- плотной компоновке , так как это может привести к самовозбуждений схемы, появлению нежелательных связей;

2) в случае симметричной схемы (мультивибратора, триггера, многоканального усилителя) симметрия должна находить от­ражение в конструкции платы, т.е. должно сохраняться симмет­ричное расположение компонентов и печатных проводников на плате, подобие их формы и примерное равенство их длины. При таком ва­рианте вносимая в схему монтажная емкость обеспечивает идентич­ность "плеч" устройства, при которой будет правильно осущест­вляться переброс схемы из одного состояния в другое и обратно;

3) допустимое рабочее напряжение между двумя расположенными рядом печатными проводниками зависит от минимального зазора между ними. В случае, если печатный узел будет эксплуатироваться при пониженном давлении (бортовая негерметизированная аппара­тура вне термоотсека,), величина допустимого напряжения существен­но снижается (таблица 3.1). Воздействие повышенной влажности (относительная влажность 933% при температуре 402оС в течение 48 часов) приводит к снижению допустимого рабочего напряжения в 1,5 - 2 раза;

Таблица 3.1

Допустимое рабочее напряжение между

проводниками печатной платы


Атмос-ферное давление Па

Мате-риал

Напряжение, В, не более при расстоянии между проводниками, мм

0,15…0,2

0,2…0,3

0,3…0,4

0,4…0,7

0,7…1,2

1,2…2

2…3,5

Нормаль-ное

ГФ

-

30

100

150

300

400

500

СФ

25

50

150

300

400

600

830

53600

ГФ

-

25

80

110

160

200

250

СФ

20

40

110

160

200

300

430

666

ГФ

-

20

30

58

80

100

110

СФ

10

30

50

80

100

130

160



Примечание: В таблице приняты обозначения

ГФ – гетинакс фольгированный;

СФ – стеклотекстолит фольгированный

4) на печатной плате не следует располагать элементы массой свыше 20 г. Как правило, такие элементы (трансформаторы, силовые полупроводниковые элементы на радиаторах) располагают вне печатного узла (на шасси, боковых и задних стенках РЭС т.д.). Ряд элементов по своему функциональному назначению (органы управления, регулировки, элементы индикации, датчики ,исполнительные устройства) делают также выносными. В этом случае на схеме электрической принципиальной должны быть отмечены выносные элементы и показаны их соединения с основной схемой в соответствии с ГОСТ 2.702-75.
5) плотность электрического тока в печатном проводнике не должна превышать 30 А/мм2. При анализе cxeмы электрической принципиальной выделяются все сильноточные цепи и определяет­ся величина протекающего по ним тока. Ширина проводника выби­рается в соответствии с таблицей 3.2.

По принципиальной схеме проводится поверочный схемотех­нический расчет (как правило, по постоянному току), целью ко­торого является определение величин тока в какдой цепи и рас­сеиваемой мощности наиболее нагруженных элементов. Расчет основан на использовании известных законов Ома и Кирхгофа. При расчетах проводимость конденсаторов постоянному току при­нимается равной нулю, проводимость диодов определяется поляр­ностью приложенного напряжения, сопротивление открытого транзистора близко к нулю (при этом учитывается падение нап­ряжения между электродами транзистора, которое определяется по справочникам). По найденным токам находят рассеиваемую в компонентах мощность. В дальнейшем, при проведении компоновоч­ных работ, наиболее нагруженные элементы следует равномерно располагать по поверхности платы.

Таблица 3.2

Допустимый ток, А, для печатных проводников

Толщина фольги (проводника) мкм

Метод изготовления

Ширина

проводника, мм

0,2

0,3

0,4

0.5

0,6

0,7

0,8

1,0

1.5


35

50

35(80)

50(95)

Химический

Комбинированный

0,19 0,20

0,32 0,38

0,21 0,30

0,48 0,57

0,26 0,40

0,64 0,76

0,35 0,50

0,80 0,95

0,42 0,60

0,96 1,14

0,49 0,70

1,12 1,33

0,56 0,80

1,28 1,52

0,70 1,00

1,60 1,90

1,05

1,50

2,40

2,85

3.3 Выбор элементной базы

Исходная электрическая принципиальная схема, как правило, содержит информацию о типах используемых элементов, но без привязки к конкретным условиям эксплуатации и требованиям технического задания. Поэтому элементная база должна быть проверена по следующим критериям:

1) устойчивость против механических воздействий, характеризующих объект установки;

2) работоспособности в диапазоне температур и других климатических факторов заданного климатического исполнения;

3) конструктивной и технологической совместимости всех типов элементов, возможности их автоматической установки;

4) допустимости использования в новых разработках;

5) обеспечения требуемых электрических параметров с необходимым коэффициентом запаса;

6) относительными массогабаритными, стоимостными показа телями и показателями надежности.

Результаты проверки и выбора элементной базы удобно представить в виде таблицы (таблица 3.3).

В случае, если исходная элементная база не удовлетворяет по каким-либо критериям, в этой же таблице указывается рекомен­дуемая замена с ее обоснованием.

При наличии в схеме электрической принципиальной множества однотипных элементов их следует заменить на элементы в интегральном исполнении (если это не усложнит существенно трассировку печатной платы, не приведет к нежелательным межкаскадным связям). Например, одна микросхема К547КП1Б (4-канальный перек­лючатель на МОП-структурах) заменит 4 транзистора типа КП301, КП304 ( выигрыш по площади, объему, массе, надежности, стоимости), микросхема КР198НТ5 - до 5 транзисторов типа КТ206 (выигрыш от замены аналогичный); резисторный блок Б19М2 заменит 8 резисто­ров мощностью 0,125 Вт (существенное уменьшение площади, массы, однако стоимость блока более высокая). Аналогичные замены воз­можны и для других типов элементов.

При замене элементной базы следует обратить особое внима­ние на ее соответствие по электрическим параметрам. Можно дать следующие основные рекомендации по замене.

Для транзисторов не разрешается превышение максимально допустимых значений напряжений, токов, мощности рассеяния.

Частотный диапазон транзистора должен соответствовать его схемно­му назначению. Применение высокочастотных транзисторе в низкочастотных устройствах нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и развитию вторичного пробоя, обладают меньши­ми эксплуатационными запасами.

Для надежной работы транзистора напряжение на его коллек­торе и рассеиваемая на нем мощность должны составлять не более 70-80% от максимально допустимых значений. Как правило, транзис­тор работает более устойчиво при неполном использовании его по напряжению и полному использованию по току.

Не следует применять мощные транзисторы там, где можно применить маломощные, так как при использовании мощных транзисторов в режиме малых токов, их коэффициент передачи по току мал и сильно зависит как от тока, так и от температуры окружающей среды. Кроме того, ухудшаются массогабаритные и стоимостные показатели РЭС.

Необходимо применять транзистор минимально возможной для данных конкретных условий мощности. Лучше использовать транзис­тор малой мощности с небольшим теплоотводом, чем большой мощ­ности без теплоотвода.

Если нет особых причин для применения гераниевого тран­зистора, лучше применить кремниевый. Кремниевые транзисторы лучше работают при высоких температурах, имеют более высокие пробивные напряжения и на один-два порядка меньше, чем герма­ниевые, обратные токи.

При замене диодов руководствуются прежде всего их назна­чением. Например, в выпрямителе следует применять выпрямительные диоды, в импульсных устройствах - импульсные и т.д. Обратное напряжение на диоде и прямой ток через него не должны превышать 70-80% от максимально допустимых значений, а рабочая частота -предельной рабочей частоты.

Замена микросхем должна производиться с учетом полного функционального соответствия, конструктивной совместимости, соответствия напряжений питания. По возможности, необходимо исполь­зовать микросхемы общего применения, характеризуемые низкой стои­мостью, широким диапазоном напряжения питания.

Таблица 3.3

Характеристика элементной базы

Наименование элемента

Кол. шт.

Конструкционные параметры

Параметры внешних воздействий

Рекомендуемая замена

Обоснование замены

Масса, г.

Установочная площадь, мм2

Устано-вочная высота, мм

Интенсивность отказов 1*10-6, I/ч

Диапазон температур, оС

Вибрационные нагрузки

Ударные перегрузки, м/с2 (g)

Частота, Гц

Максимальное ускорение, м/с2 (g)



















По техническому заданию:

























-40…+45

5…150

150… 300

(50)

























Допустимые для элементной базы:







Транзисторы:


































КТ315Б

3

0,18

25

6

0,5

-60…+100

10-600

75

(2,5)







КТ801А

2

4

256

13,5

0,7

-40…+85

10…600

98

(75)

КТ815Г

Габариты

КТ815Г

2

0,6

20

15

0,7

-60…+150

10…600

147

(75)







КП304А

4

0,5

50

9

0,3

-45…+85

10…600

98

(75)

К547КП1Б

надежность

К547КП1Б

1

0,8

150

6

0,1



















Резисторы:


































МЛТ-0,125

32

0,15

22

3

0,03

-60…+70

10…2000

147




Б19М, С2-23

устаревший

Б19М2

4

0,4

30

12

0,1

_60…+85

1…3000

392

(150)







Конденсаторы:


































К50-16-25В-500 мкф

5

12,5

370

30

0,1

-20…+70

1…600

98

(75)

К50-24

темп-ра, масса, габариты

К50-24-25В-400 мкф

5

6,5

390

10

0,1

-40…+70

1...1000

98

(75)







Конденсаторы выбирают по совокупности значений его номиналь­ной емкости и рабочего напряжения. При этом следуот обратить внимание на допускаемое отклонение емкости от номинального зна­чения, так как для некоторых конденсаторов величина отклонения может достигать 80%, что может сказаться на выходных параметрах узла. Не следует без необходимости применять конденсатор с номи­нальным напряжением, значительно превышающим рабочее, так как при этом ухудшаются массогабаритиые и стоимостные показатели из­делия.

При замене резисторов необходимо исходить из мощности, рассеиваемой на резисторе, его номинальном сопротивлении, вели­чине отклонения от номинала. Как правило, в электронных цепях используются резисторы постоянные общего назначения. Резисторы постоянные специальные (прецизионные, высокочастотные, высокоомные, высоковольтные и др.) используют в тех случаях, когда зна­чения соответствующих параметров резисторов общего назначения оказываются недостаточными, например, мала томность, величина сопротивления к т.д.

Оценивая конструктивную технологическую совместимость элементов, необходимо обратить внимание на следующее:

а) не следует в конструкции печатного узла использовать микросхемы с различным типом корпуса, например, с планарным расположением выводов (корпус типа 4) и с расположением выводов перпендикулярно основанию корпуса (корпус типа 2), так как технология их монтажа и используемое оборудование различны;

б) многие виды аналоговых микросхем выпускаются как в металлостеклянных корпусах типа 3, так и в пластмассовых корпусах ти­па 2. С точки зрения автоматизации сборки, стоимости комплектующих пластмассовые корпуса предпочтительнее;

в) тип корпуса элемента и используемый вариант его установки долины обеспечивать возможно планарную (плоскую) конструкцию печатного узла. В этом отношении некоторые типы конденсаторов (типе К50-35, K50-I6) при.монтаже на печатную плату могут зна­чительно увеличить высоту узла. Конденсаторы с разнонаправленными выводами типа К50-24. К50-29 имеют, как правило, меньшую высоту установки, более высокую механическую устойчивость, легче поддаются автоматизации установки.

При анализе и выборе элементной базы необходимо учитывать, что далеко не все элементы могут быть использованы при разра­ботке новой аппаратуры и модернизации старой по причинам мораль­ного устаревания, снятия с производства, зависимости от внешних поставок. Так. например, не рекомендуется использовать в новых разработках резисторы типа МЛТ, ВС, УЛИ,конденсаторы типа К50-6, K50-I6, транзисторы старых разработок (до 1964г.).первый эле­мент обозначения которых -буква П или буквы МП. Более подробную информацию о допустимости использования различной элементной базы можно получить в [14...17].

Наконец, при выборе элементной пазы следует обращать вни­мание на относительные массогабаритные, стоимостные показатели. показатели надежности. Сравнение удобно производить по данным таблицы 3.3. На приведенных примерах замен можно видеть, какой существенный выигрыш можно получить при замене некоторых элемен­тов.

Однако, необходимо отметить, вопрос замены элементной ба­зы весьма сложный, так как каждый из элементов характеризуется множеством параметров, имеющих разную размерность, некоторые из них к тому же противоречивы (например, быстродействие и потреб­ляемая мощность микросхем, устойчивость к механическим воздейст­виям и масса, надежность и стоимость). В этом случае при ана­лизе целесообразно использовать комплексные показатели, которые получают путем нормирования системы выбранных показателей, введения весовые; коэффициентов. Подробно данная методика изложена в [18...19].
3.4 Выбор типа и класса точности печатной платы

По своему конструктивно-технологическому исполнению печат­ные платы подразделяются на односторонние, двусторонние,много­слойные, гибкие, проводные, с основаниями из слоистого диэлект­рика, керамики, металлического листа [11]. Реализация схемы электрической принципиальной в виде печатного узла в рамках задания на конструкторский практикум вполне возможна с исполь­зованием первых двух видов печатных плат с основанием из слоис­того диэлектрика. Остальные типы печатных плат, имеющие свою специфику конструирования, особенности технологии и области применения, в данном учебном пособии рассматриваться не будут.

Односторонние печатные платы (ОПП) характеризуются: 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 ООП следует отнести низкую плотность компоновки, обычно не превышаю­щую 1,5 эл/см3; низкую тепловую и механическую устойчивость контактных площадок.







а)





б
b
)
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации