Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ принципиальной схемы

Из электрической принципиальной схемы видно, что устройство условно можно разделить на две составляющих: управляющую и силовую части. Управляющую часть схемы целесообразно выполнить в виде микросборки, а силовую - вынести на печатную плату.

Из вышесказанного следует, что элементами микросборки будут являться резисторы R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ конденсаторы C₂ - C₇, диоды VD1, VD2, транзисторы VT1 - VT3. Причем сопротивления R₁ = R₄= 10 кОм, R₃ = 100 кОм будут выполнены в тонкопленочном исполнении. На печатную плату будут вынесены следующие элементы: катушка связи L1, конденсатор переменной емкости С₁, тумблер, контактная площадка под высокоомные телефоны и гальванический элемент.

Также очевидно, что микросборка должна иметь 6 выводов:

· 2 вывода к высокоомному телефону

· антенна

· земля

· элемент питания (гальванический)

· тумблер

Расчет элементов микросборки

Основными параметрами тонкопленочных резисторов служат: номинальное сопротивление резистора R; относительная погрешность сопротивления g_R = DR/R; мощность, рассеиваемая резистором, P; геометрические размеры резистора: ширина b и длина l; коэффициент формы резистора k = b / l.

Выберем резистивный материал. Для этого определим оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной пленки, минимизирующее площадь резисторов, , где R_i - номинальное значение сопротивления i-го резистора.

Если для формирования конфигурации резистора используется масочный метод или метод фотолитографии, то находят полную длину резистора l_п = l + 2h_l, где h_l - необходимое перекрытие резистивного и проводящего слоев, при котором выполняется требование к относительной погрешности сопротивления контактных переходов. Ширина контактной площадки b_к = b+2h_b, где h_b - припуск на совмещение слоев МСБ. Обычно принимают h_l = h_b = 100...200 мкм. В случае селективного травления резистивного и проводящего слоев (двойная фотолитография) l_п = l, h_l = h_b = 0.

Через геометрические размеры находят площадь тонкопленочного резистора S = bl.

Проверка результатов расчета состоит в определении фактических значений удельной мощности, рассеиваемой резистором, P₀^ф = P/S P₀, фактической относительной погрешности коэффициента формы g_k ^ф = Db/b + Dl/l g_k, и фактической относительной погрешности резистора g_R ^ф = g_k ^ф + g_{? кв} + g_Rt + g_{R ?} + g_Rк g_R.

В случае невыполнения хотя бы одного из условий следует увеличить ширину резистора b на величину ??или относительную погрешность g_R.

В тонкопленочном исполнении будут выполнены резисторы R₁, R₃, R₄.

Исходные данные:

R₁ = 10 кОм

R₃ = 100 кОм

R₄ = 10 кОм

P = 10 мВт

с_{кв опт} = = Ом/кв

По табл.1, в которой приведены параметры резистивных материалов, выберем материал с сопротивлением квадрата резистивной пленки и, тем самым, определим другие параметры материала: удельную мощность рассеивания P₀, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) ?_R.

Табл.1

Материал, ближайщий по значению сопротивления квадрата резистивной пленки к , - РС - 3001, имеющий параметры: ; ;

С помощью формулы g_R = g_k + g_{? кв} + g_Rt + g_{R ?} + g_Rк найдем допустимую относительную погрешность коэффициента формы g_k. В этой формуле:

g_k - относительная погрешность коэффициента формы

g_R - относительная погрешность сопротивления резистора (g_R = 10 … 15% при масочном методе формирования конфигурации транзистора, g_R = 5 … 10% при фотолитографии)

g_{? кв} - относительная погрешность сопротивления квадрата резистивной пленки

(g_{? кв} ? 5%)

- относительная температурная погрешность сопротивления

g_{R ?} - относительная погрешность резистора, обусловленная старением (g_{R ?} ? 3%)

g_Rк - относительная погрешность сопротивления контактных переходов резистора

(g_Rк = 1 … 2%)

Резистивный материал выбран верно, если .

Зададим следующие погрешности:

Рассчитаем

Наконец, проверим :

, это больше 0, значит материал выбран верно.

С помощью формулы найдем коэффициенты формы резисторов. При масочном методе, если 1 k 10, резистор выполняется в виде прямоугольной полоски, если k >10, то резистор выполняется в виде меандра. При фотолитографическом методе резисторы могут иметь коэффициент формы 1 k 50.

Будем напылять резисторы фотолитографическим методом.

При расчете резистора с коэффициентом формы k < 1 находят длину резистора l = max{l_min^Т, l_min^П, l_min^Р}, где l_min^Т - минимальная технологически реализуемая длина резистора (при масочном методе l_min^Т = 200 мкм, при фотолитографическом - l_min^Т = 200 мкм. В нашем случае l_min^Т = 200 мкм); l_min^П = (Dl + Dbk)/--g_k - минимальная длина резистора, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы, Db и Dl - абсолютные производственные погрешности размеров резистора (при масочном методе Db?Dl = 10 мкм, при фотолитографическом - методе Db?Dl = 5 мкм. В нашем случае Db?Dl = 5 мкм), g_k - допустимая погрешность коэффициента формы, выраженная в относительных единицах; - минимально допустимая длина резистора, обеспечивающая заданную мощность рассеяния. Затем определяют ширину резистора b = l/k.

При расчете резистора с коэффициентом формы k > 1 находят расчетную ширину резистора b = max{b_min^Т, b_min^П, b_min^Р}, где b_min^Т - минимальная технологически реализуемая ширина (при масочном методе b_min^Т = 200 мкм, при фотолитографическом - b_min^Т = 100 мкм); b_min^П = (Db + Dl/k)--g_k - минимальная ширина резистора, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы, Db и Dl - абсолютные производственные погрешности размеров резистора (при масочном методе Db?Dl = 10 мкм, при фотолитографическом - методе Db?Dl = 5 мкм), g_k - допустимая погрешность коэффициента формы, выраженная в относительных единицах; - минимально допустимая ширина резистора, обеспечивающая заданную мощность рассеяния. Затем определяют длину резистора l = bk.

Расчет для резистора R₃ = 100 кОм:

= =

{} = max {406.25; 100; 12.247}= 406.25

Проверка:

Расчет для резисторов R₁ = R₄= 10 кОм:

= =

{} = max {416.667; 100; 12.91}= 416.667

Проверка:

Сводная таблица размеров тонкопленочных резисторов.

Разработка топологии МСБ

Размеры всех тонкопленочных элементов были посчитаны в предыдущем разделе и указаны в таблице. Навесные компоненты микросборки имеют следующие размеры:

· Резисторы R₂ и R₅ с номинальным сопротивлением 1МОм типа Р1-12 и рассеиваемой мощностью 10 мВт: длина - 3.2мм, ширина - 1.6мм, высота - 0.6мм;

· конденсаторы : тип К10-17 «в», длина - 1.5 мм, ширина - 1.3 мм, высота - 1 мм;

· конденсаторы : тип К10-17 «в», длина - 8 мм, ширина - 6.6 мм, высота - 1.8 мм;

· диоды VD1, VD2: ширина - 0.5 мм, длина - 0.7 мм, высота -0.5 мм;

· транзисторы VT1-VT3: ширина -0.7 мм, длина - 0.7 мм, высота-0.5 мм.

Для выбора типоразмера подложки необходимо найти ее площадь S_п = q_s (S_R + S_C + S_Н +S_K), где q_s = 1.5...2.5 - коэффициент дезинтеграции площади, S_R, S_C, S_Н, S_K - соответственно площади, занимаемые тонкопленочными резисторами, тонкопленочными конденсаторами, навесными компонентами и контактными площадками. Площади S_R и S_C находят в результате расчета тонкопленочных элементов, S_Н - по справочным данным на выбранные компоненты. При расчете площади контактных площадок необходимо учитывать, что внешние контактные площадки выполняются размером 1 1 мм и более. Размеры внутренних контактных площадок определяются видом монтажного соединения (пайка, сварка), типом применяемого монтажного инструмента, конструкцией выводов навесного компонента (металлизированная поверхность, гибкие проволочные и ленточные выводы и т. д.). При сварке гибких выводов средние размеры контактных площадок 0,2 0,3 мм, при пайке 0,3 0,4 мм. Будем осуществлять пайку.

По найденной площади подложки из табл.2, в которой приведены рекомендуемые габаритные размеры подложек, выберем типоразмер с площадью S S_п.

Табл.2

Из расчетов видно, что наилучшим является типоразмер №6, ширина - 20 мм, длина - 24 мм, площадь - 480 мм².

Разработка конструкции ФЯ РЭС

Площадь печатной платы, необходимую для одностороннего размещения радиоэлементов, находят по формуле:

где - коэффициент дезинтеграции площади, - установочная площадь i-го радиоэлемента, n - число радиоэлементов.

Коэффициент дезинтеграции площади обычно полагают равным 2...2.5.

Установочные площади определяют по справочным данным на радиоэлементы. Количество радиоэлементов n определено результатами разукрупнения электрической принципиальной схемы РЭС.

На печатную плату будут вынесены элементы цепи питания и силовая часть схемы, включающие следующие элементы:

Катушка связи: L=17.5, B=17, H=17(на рис.1 изображена схема каркаса), масса - 17 г

рис.1

Конденсатор КТ4-29 емкость 10..480 пФ: L=6, B=3.4, H=1.6, масса

Тумблер ASW-14-102. 12B/20А: B = 7, L = 10, H = 19; масса - 25 г.

Контактная площадка для присоединения высокоомного телефона: L=20, B=10

Гальванический элемент - 1.5В:

Линейные размеры печатных плат

Из расчетов видно, что наилучшим вариантом будет взять печатную плату размером , площадью - 2400, чтобы обеспечить свободное расположение на ней всех элементов конструкции.

Разработка конструкции блока РЭС.

,

L_ПП - длина печатной платы (80 мм);

h_ст - толщина стенки корпуса (3мм);

h_з - величина зазора между печатной платой и стенкой корпуса, необходимая для нормальной конвекции (1мм)

,

B_ПП - ширина печатной платы (30 мм);

h_ст - толщина стенки корпуса (3мм);

h_з - величина зазора между печатной платой и стенкой корпуса, необходимая для нормальной конвекции (1 мм)

h_ст - толщина нижней стенки и крышки(3мм);

h_пп - высота печатной платы вместе с установленными на ней компонентами (20мм);

h_з - величина зазора между печатной платой и крышкой, необходимая для нормальной конвекции (3 мм);

H_кр - высота бобышек, на которые крепится печатная плата (5мм);

Внешние размеры корпуса: мм

Внутренние размеры корпуса: мм

Оценочный расчет РЭС

Расчет собственной частоты

Конструкция считается вибропрочной, если в ней отсутствуют механические резонансы, а допустимая виброперегрузка на резонансной частоте превышает перегрузку, указанную в техническом задании на изделие.

Отсутствие в конструкциях механических резонансов характеризуется следующим соотношением частоты свободных колебаний любого элемента конструкции и верхней частоты диапазона внешних вибрационных воздействий:

Таким образом, оценка вибропрочности конструкции сводится к расчету частоты свободных колебаний и допустимой величины виброперегрузки.

Основной расчетной моделью планарных конструкций служит прямоугольная пластина при определенных условиях на сторонах. Частота свободных колебаний основного тона прямоугольной пластины определяется по формуле:

, Гц (метод Ритца),

где С - частотная постоянная; h - толщина пластины, мм; а - большая сторона пластины, мм; - поправочный коэффициент на материал пластины, - модуль упругости материала пластины и стали, - плотность материала пластины и стали; - поправочный коэффициент на нагружение пластины равномерно размещенными на ней элементами, - масса элементов; - масса пластины.

Значение частотной постоянной C для некоторых условий на сторонах (схем закрепления пластины) приведены в таблице 3.

Табл.3

Функциональную ячейку на печатной плате, закрепляемую в четырех точках по углам, представляют расчетной моделью пластины, равномерно нагруженной радиоэлементами, со свободным опиранием всех сторон (на рис. - 10 вариант).

Исходные данные: стеклотекстолитовая печатная плата,

(из таблицы 3)

==

конструкция вибропрочна.

Выбор системы охлаждения.

При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные: тепловой поток, рассеиваемый поверхностью теплообмена (корпуса) конструкции Р, Вт; площадь поверхности теплообмена (корпуса) ; допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента , ; максимальная температура окружающей среды , ; минимальное давление окружающей среды , мм рт.ст.

Значение теплового потока можно определить через потребляемую от источников питания мощность , которая обычно указывается в ТЗ, и коэффициент полезного действия изделия :

.

Площадь поверхности корпуса конструкции находят через взятые из ТЗ габаритные размеры конструкции.

Допустимую рабочую температуру наименее теплостойкого элемента устанавливают по результатам конструкторского анализа элементной базы.

Остальные исходные данные ( и ) указываются в требованиях ТЗ.

Чтобы выбрать систему охлаждения, необходимо найти поверхностную плотность теплового потока

,

где - поправочный коэффициент на давление окружающей среды, H = 760 мм рт.ст. - нормальное давление и допустимый перегрев в конструкции =-.

Значения и являются координатами точки, положение которой на диаграмме рис.3.2 определяет систему охлаждения конструкции.

детекторный приемник электрический резистор

Незаштрихованные зоны диаграммы относятся к следующим способам охлаждения: I - естественное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 - принудительное жидкостное, 9 - принудительное испарительное. Заштрихованным зонам соответствует два или более способов охлаждения: 2 - естественное и принудительное воздушное, 4 - принудительное воздушное и жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 - принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное, 8 - естественное и принудительное испарительное. Если точка с координатами и попадает в заштрихованную зону, то выбор способа охлаждения производится по вероятностным зависимостям.

Исходные данные:

допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента = 70

максимальная температура окружающей среды = 55

минимальное давление окружающей среды = 458 мм рт.ст.

потребляемую от источников питания мощность

коэффициент полезного действия изделия %

Исходя из результатов расчета, видно, что точка с координатами и находится в зоне 1, таким образом, выбранный тип охлаждения соответствует естественному воздушному.

Размещено на Allbest.ru