Разработка конструкции и технологии изготовления модуля управления временными параметрами

и технологии изготовления модуля управления временными параметрами" width="564" height="475" align="BOTTOM" border="0" />

Рис. 4.5 Функциональная схема включения ИМС К140УД12

Электрические параметры ИМС приведены в таблице 4.3.1

Таблица 4.3.1 Электрические параметры

Параметры	Значение
Uип,В	+15
Iпот,мА	0,03
Iвх,нА	100
Uсм,мВ	6
Uвых+,В	10
Uвых-,В	-10
Ky	50000
Кос.сф,дБ	70
Rвх,Мом	50000
Rвых,кОм	125

Подстроечные резисторы в цепях обратной связи усилителей обеспечивают установку диапазона измеряемых параметров в заданных пределах.

Управление мощностью управляющего элемента осуществляется симмистром с фазовым управлением ,которое реализуется с помощью таймера микроконтроллера.При переходе сетевого напряжения через 0 оптронная пара АОТ110А формирует импульс напряжения , поступающий на вход фиксации IC1 таймера.На выходе совпадения ОС2 таймера вырабатывается сигнал управления симмистром . Оптоэлектронные пары АОУ103В обеспечивают электрическую развязку между схемой управления и силовой частью.Общий вид оптопары и УГО показаны на рисунке 4.6

Рис.4.6 Общий вид АОУ103В

АОУ 103В имеет следующие параметры:

Электрические параметры при Токр=25С

-Входное напряжение при Iвх =10мА не более 2В;

-Выходное напряжение при открытом состоянии фототирристора не более 2В;

-Входной импульсный ток срабатывания не более 80мкА;

-Входной ток срабатывания не более 10мА;

-Время включения 15мкс;

-Время выключения 100мкс;

-Сопротивление изоляции не менее 10 ГОм;

Предельные эксплуатационные данные

-Входной постоянный или средний ток 55 мА;

-Входной импульсный ток не более 500 мА;

-Входное обратное постоянное напряжение 200В;

-Выходная рассеиваемая мощность 130мВт;

-Выходной постоянный прямой ток 100мА;

-Дипазон рабочей температуры окружающей среды -50..+70С.

Микросхема МС34064 служит для сброса микроконтроллера в момент включения питания и при снижении напряжения питания ниже 4,5В.УГО микросхемы показана на рисунке 4.7, размещается в корпусе Р-5/29.

Рис. 4.8 Микросхема МС34064Р-5

Микросхема МС34064 имеет следующие параметры:

минимальный выходной ток-10мА;

поддерживаемое напряжение-1.0-10В;

напряжение питания-5,0В;

максимальный входной ток-500мА;

диапазон рабочих температур-0..70С.

Микросхем МС7805 служит для стабилизации напряжения +5..8В до уровня 5В.Конденсаторы С8,С9 поддерживают напряжение при внезапных скачках напряжения.Схема подключения МС7805 показана на рисунке 4.9

Рис.4.9 Микросхема МС7805

Связь с персональным компьютером осуществляется через асинхронный последовательный порт SCI.При этом преобразования уровней выполняется с помощью микросхемы МС145407.

Клавиатура реализована в виде матрицы 4Х4 и подключена к восьми выводам параллельного порта С.Младшая тетрада выполняет функции линий опроса , старшая –функции линий возврата.Вывод информации производится на семи-сегментный ЖКИ LXD69D3FO9KG9,в котором используются шесть разрядов. Управление индикатором осуществляется с помощью микросхемы МС14500,которая принимает данные от микроконтроллера через синхронный последовательный порт SPI.

Управление блоком осуществляется программой, записанной в ППЗУ микроконтроллера, которая осуществляет контроль и вывод на дисплей текущего значения времени ,опрос клавиатуры , регулирование контролируемого параметра в заданных пределах , связь с центральным компьютером.

Таким образом , в ходе схемотехнического проектирования была разработана схема электрическая принципиальная ( см. Приложение).

5 Разработка конструкции модуля

5.1 Расчет элементов печатного монтажа

5.5.1 Печатные платы

Применение печатных плат, позволяет увеличить:

а) надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;

б) технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа;

в) плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;

г) быстродействие;

д) помехозащищенность элементов и схем.

Печатные платы (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполнен как на поверхности, так и в объеме основания (ГОСТ 20406-75).

В качестве материалов оснований печатных плат используются различные диэлектрики (ткань и бумага, пропитанные смолами, пластмассы, керамика, металлы, покрытые диэлектриком и т.д.). Проводящий рисунок на основании может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков (субстрактивные методы), созданием металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесением пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полу аддитивные и аддитивные методы).

В зависимости от жесткости материала основания различают гибкие (ГПП) и жесткие печатные платы. Определен ряд значений толщин оснований печатных плат: гибких (0.1, 0.2, 0.4 мм) и жестких (0.8, 1.0, 1.5, 1.8, 2.0, 3.0 мм).

По конструктивному исполнению ПП классифицируются на односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). По способу получения межслойных соединений различают платы с металлизированными отверстиями, выступающими выводами, открытыми контактными площадками и т.д.

При разработке печатных плат конструктору необходимо решить следующие задачи:

а) конструктивные: размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы, контактирование, трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев и т.д.

б) схемотехнические (радиотехнические): расчет паразитных наводок, параметров линий связи и т.д.

в) теплотехнические: температурный режим печатной платы, теплоотвод и т.д.

г) технологические: выбор метода изготовления, защита и т.д.

Все эти задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики; от расположения печатных проводников - степень влияния их друг на друга и т.д.

В настоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовления печатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат, требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.

Комбинированный метод. Комбинированный метод изготовления печатных плат заключается в химическом травлении фольгированного диэлектрика с последующей металлизацией монтажных отверстий. Комбинированный способ позволяет получать проводники шириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 - 0,3 мм. Существует несколько модификаций метода, отличающихся по отдельным операциям.

Конструирование печатных плат осуществляется ручным, полу автоматизированным и автоматизированным методами. Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных изделий электронной техники (ИЭТ) и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ, что обеспечивает более высокую производительность при конструировании и разработке конструкторской документации.

Особое значение при конструировании печатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется до нескольких десятков. Одними из основных документов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 23752-79.ГОСТ 23751-86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий и т.п.), позиционные допуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ 23752-79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.

Печатные платы должны сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм при климатических, механических, радиационных и других внешних и внутренних воздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучения требований технического задания на проектирование изделия ЭВС в состав которого входят ПП (электронного модуля, печатного узла и т. п.), выясняют те из них, которые могут определить конструкцию и технико-экономические характеристики ПП. Например, условия эксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборки узлов, требования по ремонтопригодности, технологичности, стоимости и др.

При выборе типа печатной платы (ОПП, ДПП или МПП) обычно учитываются следующие факторы:

возможность выполнения всех коммутационных соединений;

возможность автоматизации процессов изготовления, контроля и при установке навесных ИЭТ;

технико-экономические показатели как ПП, так и проектируемого изделия ЭВС, такие как, стоимость, габариты и др.

Возможность выполнения всех коммутационных соединений может быть приближенно оценена путем расчета трассировочной способности и количества слоев ПП .При выборе типа ПП следует учитывать, что двусторонние печатные платы имеют сравнительно низкие коммутационные возможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышенной ремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационные способности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокой стоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.

Исходя из вышесказанного в конструкции модуля будем использовать многослойную печатную плату изготовленную комбинированным позитивным методом.

После выбора типа печатной платы приступают к выбору класса точности изготовления печатных плат. ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности выполнения размеров элементов ПП. Печатные платы 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса - требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунок на основании ПП 1-3 классов может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков субстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуют специальных материалов, дорогостоящего прецизионного оборудования и особых условий для изготовления ПП. Создание печатного рисунка обычно достигается здесь избирательным нанесением металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесении пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии ( полуаддитивные и аддитивные методы ). Класс точности определяет наименьшие номинальные значения основных размеров конструктивных элементов, такие как: ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двух соседних проводников (контактных площадок), ширина гарантированного пояска металлизации контактной площадки и др. Естественно, что выбор определенного класса точности на данной стадии конструирования должен быть в дальнейшем подтвержден соответствующими расчетами, вытекающими из требований к электрическим параметрам и надежности платы, а также из конструктивно-технологических и других соображений. Исходя из вышеизложенного выбираем третий класс точности печатной платы.

Особое значение имеет выбор формы и размеров печатной платы. Приемлемым является расположение межсоединений или на одной ПП (идеальное решение) или хотя бы на минимальном их количестве. Вследствие этого целесообразно применение крупноформатных печатных плат. С другой стороны проще выполнять раскладку печатных проводников на небольшой плате. Поскольку важнейшими параметрами конструкций печатных плат являются электрические параметры, в значительной мере определяющие быстродействие ЭВС, то это обстоятельство также влияет на выбор размеров ПП.

Другими критериями выбора размеров, формы, а также мест крепления ПП могут быть, например, установочные размеры узлов, размеры и форма ИЭТ; эксплуатационные характеристики ЭВС; использование автоматизированных методов установки навесных элементов, пайки, контроля, а также другие технико-экономические показатели. Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 и другим НТД, разработанным в его ограничение. Такими НТД, например, могут являться ГОСТы, ОСТы или СТП, определяющие типоразмеры конкретных систем базовых конструкций ЭВС. Обычно рекомендуется разрабатывать ПП прямоугольной формы с соотношением сторон не более 3:1.

Толщину основания печатной платы H п ,в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и от ее конструктивных особенностей. Толщина печатной платы также определяет технологические возможности металлизации отверстий.

Толщину МПП определяют толщиной материала основания с учетом толщины фольги. Если на печатной плате конструктивно размещаются концевые печатные контакты (ламели) разъемных соединителей прямого сочленения, то при выборе толщины ПП следует учитывать, что допуск на суммарную толщину ПП и на соединитель должны сопрягаться, следовательно, выбираем толщину печатной платы равную 2 мм.

Выбор материала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механических нагрузок, агрессивных химических средств и т.п. В некоторых случаях в качестве материалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика, металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы .

С целью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычно являются: сплав Розе (1.5-3 мкм); сплав О-С (9-15 мкм); серебро-сурьма (6-12 мкм); медь (25-30 мкм) и др.

Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя, для защиты элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами возможно применение диэлектрических защитных покрытий на основе эпоксидных и др. смол, лаков, эмалей и т.п.

5.1.2 Конструкторско-технологический расчет элементов печатного рисунка

Расчет элементов печатного рисунка обычно включает две основные стадии: конструкторско-технологический расчет параметров элементов и расчет электрических параметров. Наравне с электрическими параметрами печатных плат необходимо определить такие конструктивно-технологические параметры печатной платы, как ширина и шаг трассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметр отверстий на плате до и после металлизации.

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочных характеристик корпусов ИМС, требования по организации связей, вытекающие из схемы электронного функционального узла, а также перспективности выбранной технологии.

Исходные данные для конструкторско-технологического расчета элементов плат следующие: шаг координатной сетки по ГОСТ 10317-79 и равный 2,5 мм; допуски на отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящих от уровня технологии, материалов и оборудования; установочные характеристики навесных элементов.

Расстояние между центрами двух соседних отверстий на плате (контактных площадок) L условно делят на зоны :

а) контактной площадки;

б) печатного проводника;

в) зазора (между контактными площадками, печатными проводниками и контактными площадками и проводниками);

Понятие «зона печатного элемента» включает не только номинальное значение их размеров и координат, но и допуски на отклонение этих размеров от номинальных значений:

, (5.1)

где ширина зоны контактной площадки, мм;

ширина одного печатного проводника, мм;

число проводников между двумя соседними контактными площадками, шт;

ширина зазора между соседними печатными элементами, для третьего класса точности равна 0,25 мм. ;

шаг основной координатной сетки;

коэффициент шага основной координатной сетки.

С учетом допусков на размеры печатных элементов:

, (5.2)

где максимальный диаметр контактной площадки, мм;

максимальная ширина печатного проводника, для третьего класса точности равна ;

величина максимального отклонения оси печатного проводника (или центра контактной площадки) от номинального положения, определяемая точностью изготовления фотооригинала и размерной стабильностью фотошаблона и равна ;

предельная величина зазора, при которой еще гарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга .

Диаметр контактной площадки не может быть меньше величины, обеспечивающей гарантированную ширину металла вокруг просверленного отверстия. С учетом возможного смещения центра отверстия относительно центра контактной площадки:

, (5.3)

где D с - диаметр зоны сверления с учетом допусков на смещение центра отверстия, мм;

минимальная ширина гарантированного пояска, принимаемая для всех типов плат равной .

Величина зоны сверления складывается из диаметра отверстия и допусков на точность сверления, точность совмещения фотошаблонов (в случае МПП), а также точность фотошаблонов:

, (5.4)

где диаметр отверстия до металлизации;

величина смещения фотошаблонов МПП. Для всех типов плат современная технология гарантирует не хуже ;

величина отклонения центра отверстия при сверлении. Определяется точностью оборудования и составляет при ручном сверлении ,

Выводы ИМС и других навесных радиоэлементов вставляют в металлизированные отверстия печатной платы. Для этого необходимо, чтобы диаметр отверстия после металлизации был равен:

, (5.5)

где эквивалентный диаметр выводов ИМС, навесных радиоэлементов, контактов разъема, равный ;

величина зазора, обеспечивающая установку выводов в отверстия и их распайку .

Следовательно,

С учетом толщины слоя металлизации стенок отверстий, диаметр отверстий определяется по формуле:

, (5.6)

где толщина слоя металла на стенках отверстия .

Следовательно,

Шаг трассировки печатных проводников определяется выражением:

(5.7)

Следовательно,

Диаметр переходного отверстия рассчитывается по формуле:

, (5.8)

где толщина печатной платы, принимаем равной

Следовательно,

Принимаем диаметр переходного отверстия равный

По формуле (5.3) рассчитаем диаметр контактной площадки переходного отверстия:

По формуле (5.4) рассчитаем диаметр зоны сверления монтажных отверстий:

По формуле (5.5) рассчитаем диаметр контактной площадки монтажных отверстий:

Минимальное расстояние для прокладки го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками определим по формуле (3.18):

т.е. между двумя контактными площадками можно провести только один проводник.

Подтвердим данный расчет, расчетом на ЭВМ. В приложении 1 приведены результаты расчета элементов печатного рисунка на ЭВМ.

Произведем расчет максимальной длины печатных проводников.В печатных платах ЭВС проводники проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения. При большом времени переключения и малых тактовых частотах параметры печатных проводников, соединяющих выходы этих элементов с входами других, не оказывают существенного воздействия на быстродействие всей схемы в целом и на помехоустойчивость элементов.

С увеличением быстродействия схемы все большее значение приобретают вопросы высокочастотных связей. Особенно это важно в микроэлектронных изделиях, поскольку время переключения составляет единицы и доли наносекунд и высока плотность размещения микросхем.

При передаче высокочастотных импульсных сигналов по печатным элементам платы из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости, сопротивления утечки между проводниками и др., сигналы задерживаются, «отражаются», искажаются, появляются также перекрестные помехи. Поэтому необходима проверка электрических параметров печатных проводников по переменному току.

Распределение переменного тока по сечению печатного проводника вследствие поверхностного эффекта неравномерно. При протекании по проводнику высокочастотного переменного тока внутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновению индукционного тока, взаимодействующего с основным. Вследствие этого происходит перераспределение тока по сечению проводника, и в результате его плотность в периферийных областях сечения возрастает, а ближе к центру уменьшается. На очень больших частотах ток практически равен нулю во внутренних слоях проводника.

Емкость между печатными проводниками, используемыми в качестве линий связи в логических схемах (также как индуктивность и взаимоиндуктивность) служит источником помех. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи.

Емкость между параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенной на одной стороне платы:

(5.9)