В данном разделе согласно техническому заданию могу быть выполнены следующие расчеты:
- конструкторский расчет печатной платы;
- расчет тепловых режимов;
- расчет трансформаторов;
- расчет на механические воздействия;
- расчет электромагнитной совместимости.
1.8.1 Конструкторский расчет печатной платы.
Конструирование печатных плат состоит из следующих основных этапов:
- изучение технического задания на разработку изделия и анализ электрической принципиальной схемы;
- определение конфигурации и габаритных размеров печатной платы;
- определение рационального взаимного расположения навесных элементов на печатной плате;
- трассировка соединений на плате;
- расчет параметров печатного монтажа;
- разработка конструкторской документации.
Анализ принципиальной электрической схемы выполняется с целью:
* установить возможность объединения выводов в единую зону электрического присоединения;
* определить порядок расположения печатных проводников в указанной зоне;
* выявить сильноточные линии электрической связи и составить перечень таких линий;
* ознакомится с габаритными чертежами, входящими в схему ЭРЭ, при необходимости сделать их эскизы, которые понадобятся для графического преобразования схемы и размещения ЭРЭ на печатной плате;
* наметить способы установки ЭРЭ на печатной плате (вертикально или горизонтально, выводами вверх или вниз и т.п.).
Для определения конфигурации и габаритных размеров платы необходимо:
а) найти суммарные установочные площади (установочная площадь – это площадь прямоугольника (квадрата), в которую вписывается ЭРЭ вместе с выводами и контактными площадками при установке его на печатной плате) Sмг, Sсг, Sкг соответственно для малогабаритных (все монтажные элементы), среднегабаритных (ИМС в прямоугольных корпусах, постоянные резисторы мощностью выше 0.5 Вт, конденсаторы в круглых корпусах и т.п.) и крупногабаритных корпусах, (переменные резисторы, полупроводниковые приборы на радиаторах и т. д.).
б) рассчитать площадь монтажной зоны Sм,мм2, для низкой плотности монтажа по формуле (6):
| Sм=4 Sмг+3 Sсг+1.5 Sкг | (6), |
а для высокой плотности монтажа по формуле (7):
| Sм=2.5Sмг+1.8Sсг+1.2Sкг | (7), |
в) полагая монтажную зону квадратной, найти ее линейные размеры;
г) скорректировать размеры, если монтажная зона не должна быть квадратной при этом следует учитывать требования ГОСТ 10317 «Печатные платы. Основные размеры». Согласно этому ГОСТу размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными:
2,5 при длине до 100 мм,
5,0 при длине до 350 мм,
10,0 при длине более 350 мм.
Рекомендуемые размеры печатных плат приведены в таблице 8.
д) выбрать способ изготовления печатной платы.
Определение рационального взаимного расположения навесных элементов на печатной плате. Навесные элементы необходимо размещать с учетом электрических связей теплового режима с обеспечением минимальных значений длин электрических связей, количество переходов печатных проводников со слоя на слой, паразитных связей между навесными элементами, необходимо стремиться к возможно равномерному распределению масс навесных элементов по поверхности платы с установкой элементов вблизи мест механического крепления платы. Установочные размеры и варианты установки навесных элементов выбирают в соответствии с действующими стандартами на установку навесных элементов.
Трассировка заключается в соединении между собой контактов каждого из элементов. Основными ограничениями при трассировке являются: недоступность пересечения в одном слое проводников различных цепей и метрические ограничения, связанные с ограниченным объемом монтажного пространства и размерами проводящих соединений. Трассировка соединений после компоновки элементов должна выполняется так, чтобы обеспечивать заданные электрические параметры устройства. Для этого нужно выделить на схеме цепи сигнала, питания и корпуса, чтобы определить необходимые требования по трассировке проводников для каждой из этих цепей. Если разрабатывается двухсторонняя печатная плата, то на эскизе трассировке соединения выполняют своим цветом для каждого печатного слоя.
1.8.2.Расчет параметров печатного монтажа
Расчет параметров печатного монтажа заключается в определении размеров элементов проводящего рисунка печатной платы с учетом протекающих токов. При расчете следует определить: диаметр контактных площадок, ширину проводников и зазоры между ними.
Исходя из технологических возможностей производства, задействованного в производстве разрабатываемого устройства, выбирается метод изготовления и класс точности печатной платы проектируемого изделия в соответствии с требованиями ОСТ 4.010.022-85.
Последовательность расчета:
1) определить минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления по формуле (8):
b min1 = Imax / j доп t, (8)
где I max - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках, А;
j доп - допустимая плотность тока, А/мм2, выбирается в зависимости от метода изго товления платы (таблица 9);
t - толщина проводника, мм.
2) определить минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем по формуле (9):
b min2 =ρ I max l / t U доп., (9)
где ρ - удельное объемное сопротивление, Ом∙ мм2 / м, выбирается в зависимости от метода изготовления (таблица 9);
l - длина проводника,м;
U доп. - допустимое падение напряжения на проводниках, В
Таблица 9.
| Метод изготовления | Толщина фольги, мкм | Допустимая плотность тока, j доп,, А/мм2 /доп. А/мм2 | Удельное сопротивление, р, Ом∙мм2/м |
| Химический: внутренние слои МПП Наружные слои ОПП, ДПП | 20, 35, 50 20, 35, 50 | 0.050 | |
| Комбинированный позитивный | 0.0175 | ||
| Электрохимический | _____ | 0.050 |
Для определения диаметров отверстий и контактных площадок необходимо пользоваться ОСТ 4.070.010 - 78, который содержит специальные указания для выбора отверстий и контактных площадок под выводы устанавливаемых элементов (табл.10).
Таблица 10
| Диаметр | Минимальное расстояние между центрами отверстий, мм | ||
| Вывода элемента, мм | Отверстия, мм | Контактной площадки, мм | |
| 0.4;0.5 0.6;0.7 0.8;0.9 1.0;1.1 1.2; 1.3; 1.4 | 0.9 1.1 1.3 1.5 1.8 | 3.0 | 2.5 |
| 3.75 | |||
| 1.5;1.б 1.7;1.8;1.9 | 2.0 2.2 | 4.0 | 5.0 |
При любой установке элементов диаметры монтажных, переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий следует выбрать из ряда: 0.4, 0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6, 2.7,2.8,3.0. Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки.
.
Описание конструкции.
В данном разделе необходимо отразить следующие вопросы:
1.9.1. Выбор и обоснование БНК (базовой несущей конструкции). В некоторых случаях, например, целесообразно разрабатывать оригинальную несущую конструкцию. Это позволяет повысить коэффициент заполнения обьема, уменьшить массу и габаритные размеры изделия.
1.9.2. Выбор элементов несущих конструкций. Масса несущих конструкций РЭА составляет приметно 70% от общей массы аппаратуры. Поэтому задача уменьшения массы БНК является очень актуальной.
При создании РЭА с минимальной массой несущих конструкций следует
придерживаться следующих правил:
- выполнить все элементы конструкции равнопрочными без большого запаса по прочности;
- обеспечить высокую жесткость способами, не требующими увеличения массы;
- упрощать несущие конструкции до минимального числа деталей;
- применять легкие сплавы и пластмассы;
- выбирать рациональную форму профилей несущих конструкций;
- вводить в детали отверстий, выемки, проточки, чтобы избежать лишнего материала, не несущего нагрузки;
- вводить в тонколистовые детали отбортовки и выводы, позволяющие повысить жесткость конструкции;
- использовать гальванические и макроскопические покрытия, имеющие минимальную массу.
Особое внимание следует уделить трем вопросам:
1. Выбор технологии изготовления конструкции (металл, сварная, клепаная и т.д.).
2. Выбор марки конструкционного материала.
3. Выбор метода осуществления разъемных и неразъемных соединений
деталей (свинчивание, сварка и т.д.).
1.9.3. Выбор элементов прикрепления и фиксации.
Они должны обеспечивать требуемую надежность соединения при минимальных массогабаритных показателях. При этом рассматриваются вопросы:
- способы крепления отдельных узлов конструкции;
- конструкции направляющих, штырей, ловителей и т д;
- варианты крепления при эксплуатационном осмотре и ремонте.
1.9.4. Выбор элементов управления и индикации.
1.9.5. Выбор конструктивных элементов защиты устройства от механического воздействия. На этом этапе необходимо выбрать:
- схему размещения амортизаторов и их число;
- типы амортизаторов;
- способы и элементы проводки к амортизирующему блоку внешних
электрических цепей;
- способы предохранения крепежных изделий от самоотвинчивания;
- способы повышения жесткости элементов конструкции.
1.9.6. Выбор конструктивных элементов электрического монтажа. Рассматриваются следующие вопросы:
- выбор способа обеспечения электрических соединений (пайка, сварка, накрутка и т. д.);
- выбор припоя и флюса;
- выбор марки материала, сечения жилы, вида изоляции монтажных проводов;
- выбор способа крепления жгутов, кабелей и проводов к несущим конструкциям блока;
- выбор способа крепления навесных ЭРЭ на панели и другие элементы несущих конструкций;
- выбор типов электрических соединителей.
1.9.7. Выбор конструктивных элементов защиты устройства от тепловых воздействий. Здесь должны быть рассмотрены следующие вопросы:
- конструкции воздуховодов, теплообменников, фильтров;
- тип вентилятора;
- тип радиатора;
- форма и расположение вентиляционных отверстий;
- конструкция тепловых экранов.
1.9.8. Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий.
Для каждой детали надо выбрать конкретный вид покрытия.
Следует учитывать, что металлические покрытия образуют с основным материалом контактную пару. Покрытие с отрицательным потенциалом по отношению к металлу детали называют анодным, с положительным - катодным. Чем больше разница электрохимических потенциалов между контактируюшими металлами, тем интенсивнее разрушается под действием коррозии катод. При анодном покрытии вследствие коррозии разрушается само покрытие, при катодном— основной материал детали. В качестве наиболее распространенных материалов покрытий для стали используют калий, цинк, хром, олово, никель; для сплавов меди - хром, никель, стронций, серебро, золото.
Из неметаллических химических способов покрытия широкое распространение получили фосфатирование, оксидирование и анодироввание.
Образующая на поверхности металла защитная пленка химически пассивна, устойчива, имеет хороший декоративный вид, толщина покрытия - от 1 до 15 мкм. Используются также лакокрасочные покрытия. Вид и толщину покрытий выбирают в зависимости от назначения, условий эксплуатации.
Из неметаллических химических способов покрытия широкое распространение получили фосфатирование, оксидирование и анодироввание.
Образующая на поверхности металла защитная пленка химически пассивна, устойчива, имеет хороший декоративный вид, толщина покрытия - от 1 до 15 мкм. Используются также лакокрасочные покрытия. Вид и толщину покрытий выбирают в зависимости от назначения, условий эксплуатации.
1.9.9. Выбор способов маркировки деталей и сборочных единиц. Здесь должны быть определены способы маркировки:
- проводов, кабелей;
- ячеек, функциональных узлов, печатных плат.
1.9.10. Вопросы эргономики, технической эстетики. Эргономические требования содержат:
- антропологические требования, которые характеризуют степень соответствия изделия силовым, скоростным, рецепторным (зрение, слух, осязание) возможностям человека;
- психофизиологические требования, которые характеризуют степень соответствия изделия возможностям человека в части восприятия, зрения и переработки информации;
| Ширина, мм | Длина, мм | Ширина, мм | Длина, мм | Ширина,мм | Длина, мм | Ширина,мм | Длина, мм | Ширина,мм | Длина, мм | Примечание | |
| 22.5 | (75) (100) (160) | (90) (180) | (160) | Размеры печатных плат без скобок являются предпочтительными | |||||||
| (90) | |||||||||||
| 62.5 | (170) | ||||||||||
| (40) (80) | |||||||||||
| (70) (90) ПО | |||||||||||
| (50) | |||||||||||
| (70) | (160) | ||||||||||
| 80 100 | (110) | (200) 260 | |||||||||
Таблица 8. Рекомендуемые размеры печатных плат
- гигиенические требования, которые характеризуют непосредственное, влияние среды использования: температуры, влажности, давления,
параметров освещения, уровня шума, вибрации, перегрузок, уровня
излучения, уровня напряженности электрических, магнитных и
электромагнитных полей, состояния воздушной смеси.
Требования технической эстетики включают следующие показатели:
- информационная выразительность характеризует способность изделия в форме сложившейся в обществе эстетики представления. Проявляется в оригинальностью формы, выделяющей данное изделие среди аналогов в стилевом соответствии средств художественной выразительности определенному периоду времени, моде;
- рациональность формы характеризует соответствие формы объективным условиям изготовления и эксплуатации изделия. Проявляется в соответствии формы изделия его назначению;
- целостность композиции характеризует гармоническое единство частей и целого, взаимосвязь элементов формы изделия и его согласованность с ансамблем других изделий. Находит свое выражение в композиционной логике, технологичности (художественном осмыслении конструкции и материалов), пластичности, колорите и декоративности (взаимосвязи цветовых сочетаний, использовании декоративных свойств материалов).
1.10 Анализ технологичности конструкции изделия.
Технологичность конструкции является одной из важнейших характеристик изделия. Под технологичностью изделия понимают совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.
Различают производственную и эксплуатационную технологичность. Производственная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении затрат средств и времени на конструкторско-технологическую подготовку производства и процессы изготовления, включая контроль и испытания; эксплуатационная технологичность — в сокращении затрат времени и средств на техническое обслуживание и ремонт изделия.
Требования, предъявляемые к технологичности конструкции, меняются в зависимости от вида изделия, объема выпуска и типа производства. Изделие, технологичное в условиях мелкосерийного выпуска, может оказаться нетехнологичным при массовом изготовлении. Наиболее целесообразным является отработка технологичности конструкции во время ее проектирования.
Технологичность конструкции изделия можно оценить количественно и качественно.
Качественная оценка характеризует технологичность конструкции обобщенно на основании опыта исполнителя. Такая оценка допустима на всех стадиях проектирования, когда осуществляется выбор лучшего конструктивного решения и не требуется определения степени технологичности сравниваемых вариантов. Качественная оценка в процессе проектирования предшествует количественной и определяет целесообразность ее проведения.
Количественная оценка осуществляется с помощью системы базовых показателей.
По способу выражения характеризуемых признаков показатели технологичности могут быть абсолютные и относительные, а по количеству признаков — частные и комплексные. Частный показатель технологичности конструкции изделия характеризует одно из входящих в нее свойств, а комплексный показатель — несколько входящих в него частных и комплексных свойств.
Рекомендуемый перечень показателей технологичности конструкции изделий приведен в ГОСТ 14.201—83. Наиболее важными из них являются трудоемкость изготовления изделия и технологическая себестоимость. В отраслевых стандартах, разрабатываемых на основе государственных стандартов, приводится номенклатура базовых (частных) показателей и методика их определения.
Базовые показатели технологичности для электронных блоков, определяемые на стадии разработки рабочей документации, их ранжированная последовательность по весовой значимости приведены в табл. 11.
Значения базовых показателей применяются в пределах 0<Кі<1. Увеличение показателя соответствует более высокой технологичности изделия.
| Таблица 11 | |||
| Порядковый номер в ранжированной последовательности | Показатели технологичности | Обозначение | Коэффициент ji |
| Коэффициент использования микросхем и микросборок в блоке | Кимс | 1,000 | |
| Коэффициент автоматизации и механизации монтажа | Ка.м | 1,000 | |
| Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ | Км.п.эрэ | 0,750 | |
| Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки | Км.к.н | 0,500 | |
| Коэффициент повторяемости ЭРЭ | Кпов.эрэ | 0,310 | |
| Коэффициент применяемости ЭРЭ | Кп.эрэ | 0,187 | |
| Коэффициент прогрессивности формообразования деталей | Кф | 0,110 |
Коэффициент ji зависит от порядкового номера основных показателей технологичности, ранжированная последовательность которых устанавливается экспертным путем:
| (10) |
где i — порядковый номер показателя в ранжированной последовательности.
Коэффициент использования микросхем и микросборок в блоке
| (11) |
где Нмс — общее количество микросхем и микросборок в изделии, шт.;
Нэрэ — общее количество электрорадиоэлементов (ЭРЭ), шт.
К ЭРЭ относят микросхемы, микросборки, транзисторы, диоды, резисторы и т. п. Под типоразмером ЭРЭ понимается габаритный размер без учета номинальных значений.
Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделий
| (12) |
где На.м — количество монтажных соединений, которые могут осуществляться механизированным или автоматизированным способом, шт.;
Нм — общее количество монтажных соединений, шт.
Коэффициент автоматизации и механизации подготовка ЭРЭ к монтажу
| (13) |
где Нм.п.эрэ — количество ЭРЭ, подготовка которых к монтажу может осуществляться механизированным и автоматизированным способом, шт.
Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки электрических параметров
| (14) |
где Км.к.н —– количество операций контроля и настройки, которое можно осуществить механизированным или автоматизированным способом, шт. (в число таких операций включаются операции, не требующие средств механизации);
Нк.н — общее количество операций контроля и настройки, шт.
Коэффициент повторяемости ЭРЭ
| (15) |
где Нт.эрэ — общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии, шт.
Коэффициент применяемости ЭРЭ
| (16) |
где Нт.ор.эрэ — количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии, шт.
Коэффициент прогрессивности формообразования деталей
| (17) |
где Дпр — количество деталей, полученных прогрессивными методами формообразования (штамповкой, прессованием, литьем под давлением и т. п.), шт.;
Д — общее количество деталей (без нормализованного крепежа) в изделии, шт.
Основным показателем, используемым для оценки технологичности конструкции, является комплексный показатель технологичности конструкции изделия
| (18) |
где Кi — значение показателя, определяемого по таблице состава базовых показателей;
j — коэффициент, нормирующий весовую значимость показателя в зависимости от его порядкового номера в таблице;
n — общее количество, частных показателей;
i — порядковый номер показателя в ранжированной последовательности.
Уровень технологичности конструкции изделия при известном нормативном показателе оценивается отношением полученного комплексного показателя к нормативному, которое должно удовлетворять условию К/Кн≥1.
Нормативное значение показателя Кн технологичности конструкций блоков электронно-вычислительной техники для условий серийного производства составляет 0,5... 0,8, а для опытного производства — 0,4... 0,7.
При анализе полученных результатов необходимо учитывать сложность изделия и уровень основного производства завода-изготовителя.
Конструкция детали должна отвечать следующим требованиям: состоять из стандартных и унифицированных элементов, изготовляться из стандартных заготовок, иметь оптимальные точность и шероховатость поверхностей, обеспечивать возможность применения стандартных и типовых процессов ее изготовления, а также возможность одновременного изготовления нескольких деталей и применения наиболее прогрессивных процессов формообразования: литья под давлением, литья по выплавляемым моделям, прессования пластмасс, металлокерамики, холодной штамповки.