Разработка печатного узла пропорционального регулятора для компьютерного вентилятора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное учреждение высшего профессионального образования

Белорусско-Российский университет

Кафедра «Физические методы контроля»

Пояснительная записка

ПРКВ-01 00.00.000 ПЗ

Конструирование радиоэлектронной аппаратуры

Разработка печатного узла пропорционального регулятора для компьютерного вентилятора

Выполнила: студентка гр. МПКР-111

Барковская М.А.

Проверил: Поздняков В.Ф.

Могилев 2013



Содержание

плата радиоэлемент печатный монтаж

Введение

1. Описание электрической принципиальной схемы

2. Выбор радиоэлементов

3. Расчет посадочных мест радиоэлементов и площади печатной платы

4. Разработка рисунка печатной платы

4.1 Расчет диаметра отверстий и контактных площадок

4.2 Выбор класса точности печатного монтажа. Расчет толщины проводящего слоя

4.3 Правило двух минимумов и основные критерии разработки печатной платы

4.4 Выбор материала и толщины основания печатной платы

4.5 Разработка сборочного чертежа печатной платы

Заключение

Список использованных источников



Введение

Конструирование - процесс поиска, нахождения и отражения в конструкторском документе формы, размера и состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов комплектующих изделий, указаний на технологию изготовления с целью обеспечения производства изделия при наименьшей трудоемкости изготовления.

Назначение место применения и условия эксплуатации аппаратуры налагают определенные требования на их конструкцию и все они должны учитываться в процессе конструирования. Конечным результатом конструирования является комплект технических документов, отображающий всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие.

Конструктивно-технологические особенности РЭА включают функционально-узловой принцип конструирования, технологичность, минимальные габаритно-массовые показатели, ремонтопригодность, защиту от внешних воздействий, надежность (вероятность безотказной работы, среднее время наработки на отказ, среднее время восстановления работоспособности, долговечность и т.д.).

Любая вновь разрабатываемая аппаратура передается в производство для изготовления.

Каждое производство обладает своими особенностями, которые предопределяют возможности выполнения норм заданных конструктором в тех документации.

Чтобы производство было экономичным, а его результаты давали высокое качество, показатели изделия должны не только обеспечивать его высокий уровень, но и учитывать особенности технологических процессов, т. е. конструкция должна быть технологичной.



1. Описание электрической принципиальной схемы

Системные блоки компьютеров, оснащенные вентиляторами, создают много шума, заметная доля которого приходится на вентилятор блока питания. В современных компьютерах эта проблема решена, а вот блоки устаревших компьютеров приходиться модернизировать самостоятельно. Описания различных устройств, снижающих уровень шума путем уменьшения подаваемого на вентилятор напряжения, неоднократно публиковалось. После анализа их достоинств и недостатков был разработан регулятор, схема которого изображена на чертеже ПРКВ-01 00.00.000ЭЗ.

ОУ DA2.1 и подключенный к его выходу транзистора VT1 образуют усилитель разности образцового напряжения, снижаемого с делителя из резисторов R4, R5, и падения напряжения на микросхеме DA1. Эта микросхема (интегральный стабилизатор 7805 или его аналог КР142EH5A) используется необычным образом - имеющийся в ней защитный диод, подключенный анодом к выводу 3 и катодом к выводу 1, служит датчиком температуры. В принципе, ее можно заменить любым кремниевым диодом, но при этом будет утеряно важное преимущество - удобное крепление к теплоотводу, температура которого контролируется.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью через резистор R11 и не обладает пороговыми свойствами. Его выходное напряжение, подаваемое через разъем XP1 на вентилятор, изменяется пропорционально температуре датчика.

На ОУ DA2.2 и элементах микросхемы DD1 собран узел звуковой сигнализации, предупреждающий о недопустимом перегреве теплоотвода, на котором закреплен датчик. Порог его срабатывания зависит от отношения сопротивлений резисторов R3 и R6, задающих напряжение на не инвертирующем входе ОУ DA2.2. Положительная обратная связь через резистор R7 превращает ОУ в триггер Шмидта. Если температура превышает допустимую, низкий логический уровень напряжения на выходе DA2.2 сменяется высоким, что разрешает работу генератора прерывистого звукового сигнала на микросхеме DD1. Через усилитель мощности на транзисторе VT2 сигнал поступает на динамическую головку BA1.

Вместо транзистора KT816А можно использовать любые из серий КТ814, КТ816(с коэффициентом передачи тока не менее 50). Если такого найти не удалось, можно применить составной транзистор, соединив соответствующим образом транзисторы серии КТ361 и КТ814. Замена транзистора КТ315Б-КТ315 или КТ3102 с любыми буквенными индексами.

Стабилитрон VD3 должен быть с минимальными температурным коэффициентом напряжения стабилизации. В серии КС191 этому требованию лучше всего удовлетворяют приборы с буквенными индексами П, У и Ф. Диоды КД522Б можно заменить любыми кремниевыми маломощными.

Сопротивление звуковой катушки головки BA1 должно быть не менее 50Ом. Последовательно с головкой меньшего сопротивления рекомендуется включить резистор на 50…100 Ом.

Приступая к налаживанию собранного устройства, резистора R5 временно заменяют последовательно соединенными постоянными (4,7 кОм) и переменными (3,3 кОм) резисторами. Нагрев датчик температуры до 60єС, переменным резистором устанавливают максимальное напряжение на вентиляторе. При напряжении питания 12В оно должно находиться в пределах 11,5…11,7 В. Резистор R6 также временно заменяют последовательно соединенными постоянным и переменным резисторами (соответственно 300и 470 Ом). Нагрев датчик до температуры 65…70єС, добиваются включения звукового сигнала.

Теперь необходимо охладить датчик до комнатной температуры и измерить напряжение, подаваемое на вентилятор, которое должно быть около 5,5В. Несколько раз нагревая и охлаждая датчик, убеждаются, что при температуре от 30 до 60єС выходное напряжение изменяется в пределах 6…11,5В, а ниже 25єС остается неизменным и равным 5…5,5В. Иногда для достижения нужного результата приходится подбирать стабилитрон VD4. Завершив налаживание, измеряют сопротивление цепей, временно заменивших резисторы R5 и R6, и устанавливают вместо них постоянные резисторы нужного сопротивления.



2. Выбор радиоэлементов

Данное электрическое устройство реализовано на следующих элементах.

Резистор типа МЛТ-0,125. Данный резистор имеет рассеиваемую мощность P=0,125 Вт. Толщина выводов данного элемента равна 0,6 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 0,8 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2 мм [1]. Размеры резистора МЛТ-0,125 приведены на рисунке 2.1 [2].

Рисунок 2.1 Эскиз резистора МЛТ-0,125

Таблица 2.1

Параметры резисторов МЛТ-0,125

Обозначение элементов	Сопротивление резисторов	Мощность,Вт	D,мм	L,мм	l,мм	d,мм
R1,R3	10 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R2	3 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R4, R11, R14	100 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R5	7,5 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R6	560 Ом	0,125	2,2	6	20	0,6
R7	330 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R8	240 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R9	430 Ом	0,125	2,2	6	20	0,6
R10	2 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R12	27 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R13	510 Ом	0,125	2,2	6	20	0,6
R15	200 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6
R16	20 кОм	0,125	2,2	6	20	0,6

Конденсатор КМ - 3. Толщина выводов данных элемента равна 0,6 мм, поэтому диаметр отверстия выбираем 0,8 мм. Диаметр контактной площадки примем 2,0 мм [1]. Размеры конденсаторов КМ - 3 приведены на рисунке 2.2 [3].

Рисунок 2.2 Эскиз конденсатора КМ - 3

Таблица 2.2

Параметры конденсаторов КМ - 3

Обозначение элементов	Номинальная ёмкость	L1, мм	B1, мм	A, мм	d, мм
С5	4700пФ	8,5	8,5	5	0,6

Конденсаторы электролитические К50-16. Данные конденсаторы являются конденсаторами аксиального типа. Они характеризуются высокой нагрузочной способностью, стабильностью параметров, низкими токами утечки, высоким отношением ёмкость/габаритные размеры. Толщина выводов данного элемента равна 0,5-0,8 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 0,8-1 мм соответственно. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2-2,5 мм [1]. Размеры конденсаторов К50-16 приведены на рисунке 2.3 [3].

Рисунок 2.3 Эскиз конденсатора К50-16

Таблица 2.3

Параметры конденсаторов К50-16

Обозначение элементов	Номинальная емкость, мкФ	Допустимое напряжение, В	D, мм	d, мм	H, мм	A, мм
С1	30	15	7,5	0,5	13	2,5
С2	100	25	16	0,8	18	7,5
С3	10	25	7,5	0,5	13	2,5
С4	220	25	18	0,8	18	7,5

Транзистор КТ 315Б. Толщина выводов указанного типа транзистора равна 0,95 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 1,0 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2,5 мм [1]. Расположения выводов для транзистора КТ 315Б - база-коллектор-эмиттер (если смотреть слева направо на рисунке 2.4). Размер транзистора приведен на рисунке 2.4 [4].

Рисунок 2.4 Эскиз транзисторов КТ 315Б

Транзистор КТ 816А. Толщина выводов указанного типа транзистора равна 0,95 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 1,0 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2,5 мм [1]. Расположения выводов для транзистора КТ 816А - база-коллектор-эмиттер (если смотреть справа налево на рисунке 2.5). Размер транзистора приведен на рисунке 2.5 [5].

Рисунок 2.5 Эскиз транзисторов КТ 816А

Микросхема 7805 трехвыводный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 5 вольт могут найти применение в широком спектре радиоэлектронных устройств в качестве источниках питания логических систем, измерительной технике, устройств высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройств. Толщина выводов указанного типа микросхемы равна 0,88 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 1,0 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2,5 мм [1]. Размер микросхемы приведен на рисунке 2.6 [6].

Рисунок 2.6 Эскиз микросхемы 7805

Микросхема К561ЛА7 цифровая интегральная микросхема КМОП логики, производства советских времен. Широко применялась в бытовой аппаратуре. Часто использовалась радиолюбителями при создании различных устройств на основе цифровых микросхем. Содержит 4 логических элемента 2И-НЕ. Нумерация ног начинается от ключа на корпусе против часовой стрелки. Толщина выводов данного элемента равна 0,5 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 0,8 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2 мм [1]. Размеры микросхемы К561ЛА7 приведены на рисунке 2.7 [7].

Рисунок 2.7 Эскиз микросхемы К561ЛА7

Микросхема LM358N операционный усилитель общего назначения. Толщина выводов данного элемента равна 0,51 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 0,8 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2 мм [1]. Размеры микросхемы LM358N приведены на рисунке 2.8 [8].

Рисунок 2.8 Эскиз микросхемы LM358N

Стабилитроны КС156А и КС191У кремниевые сплавные выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Толщина выводов данного элемента равна 0,6 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 0,8 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2 мм [1]. Размеры стабилитронов приведены на рисунке 2.9 [9].

Рисунок 2.9 Эскиз стабилитронов КС156А и КС191У

Диод КД522Б кремниевый эпитаксиально-планарный выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Толщина выводов данного элемента равна 0,55 мм, поэтому диаметр отверстия под этот элемент выбираем равным 0,8 мм. Диаметр контактной площадки выбираем равным 2 мм [1]. Размеры стабилитронов приведены на рисунке 2.10 [9].

Рисунок 2.10 Эскиз диода КД522Б



3. Расчет посадочных мест радиоэлементов и площади печатной платы

Контур площади, занимаемый на плате навесным элементом, включая контактные площадки под выводы, называется посадочным местом [1].

Рисунок 3.1 Посадочное место резистора

Площадь всех резисторов, всех конденсаторов кроме К50-16, всех диодов, транзисторов, стабилитрона и микросхем будем определять по формуле

S=ab, (3.1)

где а - длина посадочного места, мм;

b - ширина посадочного места, мм.

Площадь конденсаторов К50-16 определим по формуле:

, (3.2)

где r - наибольший радиус, мм.

Рисунок 3.2 Посадочное место электролитического конденсатора К50-16

Геометрические размеры элементов проставлены ранее.

Площадь, занимаемая одним резистором МЛТ-0,125:

Площадь, занимаемая одним конденсатором КМ-3:

Площадь, занимаемая одним конденсатором К50-16:

Площадь, занимаемая одним транзистором КТ 315Б:

Площадь, занимаемая одним транзистором КТ 816А:

Площадь, занимаемая одной микросхемой 7805:

Площадь, занимаемая одной микросхемой К561ЛА7:

Площадь, занимаемая одной микросхемой LM358N:

Площадь, занимаемая одним стабилитроном КС156А или КС191У:

Площадь, занимаемая одним диодом КД522Б:

Суммарная площадь, занимаемая резисторами составляет:

Суммарная площадь, занимаемая конденсаторами составляет:

Суммарная площадь, занимаемая транзисторами составляет:

Суммарная площадь, занимаемая микросхемами составляет:

Суммарная площадь, диодами и стабилитроном составляет:

Определим суммарную площадь занимаемую всеми элементами:

, (3.3)

Подставляя значения в формулу (3.3) получаем, что

Определим рабочую площадь печатной платы. Рабочей площадью печатной платы, или зоной расположения посадочных мест на печатной плате называется площадь, равная общей площади печатной платы за вычетом площади краевого поля - свободной полосы вдоль периметра печатной платы, предусматриваемой для технологических целей, не занимаемой рисунком и навесными элементами. Ширина краевого поля есть расстояние от края печатной платы до края первого ряда посадочных мест.

, (3.4)

Определим площадь печатной платы

, (3.5)

Рассчитаем коэффициент заполнения печатной платы

. (3.6)



4. Разработка рисунка печатной платы

4.1 Расчет диаметра отверстий и контактных площадок

Навесные элементы имеют проволочные (штыревые) выводы из круглой проволоки различного диаметра под которые должны быть предусмотрены металлизированные отверстия. Диаметр отверстий выбирают из расчета получения зазора между выводами и стеной 0,1 мм, необходимого для капиллярного проникновения припоя во время пайки, которое повышает прочность соединения.

Наряду с навесными элементами допускается применять навесные перемычки в количестве до 5 % общего числа соединений на печатной плате. Перемычка представляет собой отрезок изолированного провода, обеспечивающий электрическое соединение между двумя контактными площадками на одной стороне печатной платы.

При составления рисунка печатной платы необходимо пользоваться библиотекой контактных площадок стандартной формы [10].

С учетом того, что между выводами и стенкой должен быть зазор 0,1мм выбираем диаметр отверстий под радиоэлементы. Для всех резисторов МЛТ-0,125, для всех конденсаторов кроме К50-16(C2, С4), все диодов, стабилитроны и микросхемы К561ЛА7 и LM358N выбираем диаметр отверстий 0,8 мм и для этих отверстий выбираем диаметр контактной площадки равный 2 мм.

Для всех транзисторов, конденсаторов К50-16 (C2, С4) и микросхемы 7805 выбираем диаметр отверстий 1мм, для этих отверстий диаметр контактных площадок - 2,5мм.



4.2 Выбор класса точности печатного монтажа. Расчет толщины проводящего слоя

По ГОСТ 23751 - 79 установлены три класса плотности рисунка. Шириной печатного проводника (или, сокращенно, шириной проводника) t называют поперечный размер проводника на любом участке в плоскости основания (неровности края во внимание не принимаются). Расстоянием между проводниками S называется расстояние между краями соседних проводников на одном слое печатной платы. В свободных местах рисунка (не в узкостях) SS; t=0,5 [10].

Плотность тока и потери зависят от толщины проводящего слоя, которая регламентирована тремя значениями: 10, 20 и 35 мкм.

Толщину проводящего слоя определим по формуле:

(4.1)

откуда выразим h

(4.2)

где I_MAX- - максимальный ток в цепи, А;

J - предельно - допустимая плотность тока; 20 А/мм²;

t - ширина проводящего слоя, t=0,5 мм.

Плата потребляет ток в 3мА.

I_МАХ=0,003А.

Данное значение подставим в формулу (4.2), получим расчетную толщину проводящего слоя:

Выбираем ближайшее стандартное значение толщины проводящего слоя h=10 мкм.

При увеличении толщины проводящего слоя увеличивается площадь поперечного сечения проводника, а значит уменьшается и плотность тока J

Для данного печатного монтажа, при толщине проводящего слоя 10 мкм выбираем 1 класс плотности печатного монтажа.

4.3 Правило двух минимумов и основные критерии разработки печатной платы

Процесс технологического конструирования слагается из размещения и трассировки. При размещении расставляют навесные элементы на плате, распределяют контакты соединителей по электрической схеме и размещают контрольные гнезда. Трассировка - это разработка рисунка электрических связей данной печатной платы с другими частями приборов.

Критерием наилучшего решения служит правило двух минимумов: при топографическом конструировании печатной платы должен быть достигнут минимум пересечений и минимум длины. Минимум пересечений означает и минимум переходных отверстий. Это требование обычно имеет приоритет, так как обеспечивает технологичность по минимуму числа слоев и создает важные предпосылки для безотказности.

Минимум длины связей означает максимум связей между соседними элементами имеет значение для электрических схем в зависимости от быстродействия частоты диапазона. Правилом двух минимумов следует руководствоваться при топологическом конструировании печатной платы [1].

Основными достоинствами печатных плат являются:

- увеличение плотности монтажа и возможность микро-миниатюризации изделий;

- гарантированная стабильность электрических характеристик;

- повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям;

- унификация и стандартизация конструктивных изделий;

- возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

4.4 Выбор материала и толщины основания печатной платы

Все ПП делятся на следующие классы:

1 ОПП - односторонняя печатная плата. Элементы располагаются с одной стороны платы. Характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка.

2 ДПП - двухсторонняя печатная плата. Рисунок располагается с двух сторон, элементы с одной стороны. ДПП на металлическом основании используются в мощных устройствах.

3 МПП - многослойная печатная плата. Плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящим рисунком. Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения.

4 ГПП - гибкая печатная плата. Имеет гибкое основание, аналогична ДПП.

5 ППП - проводная печатная плата. Сочетание ДПП с проводным монтажом из изолированных проводов.

Выбор толщины и материала основания оказывает влияние на свойства печатной платы: жесткость, собственную емкость, теплопроводность. Установлен размерный ряд значений толщины основания печатных плат - как гибких, так и жестких.

Выбираем одностороннюю печатную плату с толщиной основания 1,5 мм, которая допускает получение минимальных металлизированных отверстий в основании 0,48 мм [1].

В качестве материала будем использовать стеклотекстолит СФ1 - 10 - 1,5 ГОСТ 10316 - 78.

4.5 Разработка сборочного чертежа печатной платы

Сборочный чертеж печатной платы выполняется на отдельном чертеже в приемлемом масштабе. Все элементы вычерчиваются на плате по размерам, приведенным в соответствующих справочниках. Центры отверстий обозначаются перекрестиями. На элементах или рядом наносятся их условные обозначения согласно электрической принципиальной схеме. Элементы, имеющие полярность (микросхемы, транзисторы, диоды, электролитические конденсаторы) обозначаются на сборочной чертеже с соответствующими обозначениями номеров точек или обозначений наименований выводов [1].



Заключение

В процессе проделанной курсовой работы мною были изучены правила выполнения структурных и функциональных схем, принципиальных электрических схем. Я ознакомилась с буквенно-цифровым обозначением элементов электрических схем, узнала правила выполнения конструкторской документации при проектировании электронной аппаратуры.

Изучила процесс расчета посадочных мест радиоэлементов и площади печатной платы, а также разработки рисунка и расчета надежности печатной платы.

Кроме этого, в процессе выполнения задания мною были применены и более полно изучены навыки работы в программах Word и Компас - 3D V13.

Полученные при этом знания могут быть использованы мною при дальнейшем обучении, а также в будущей работе.

Список использованных источников

1. Поздняков В.Ф. Конструирование узлов радиоэлектронной аппаратуры. Методические указания к курсовой работе и практическим занятиям. Могилев: ГУВПО «Белорусско-Российский университет». 2004. 33с.

2. Дубовицкий В.В. Резисторы: справочник / В.В. Дубовицкий, Д.М. Иванов, Н.Я. Патрусевич; под общ. ред. И.И. Четверткова, В.М. Терехова. М.: Радио и связь, 1987. 352 с.

3. Дьяконов М.Н. Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков; под общ. ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. М.: Радио и связь, 1988. 576 с.

4. Справочник по отечественным транзисторам [Электрон. ресурс]. Режим доступа: www.5v.ru.

5. CHIPINFO - электронные компоненты и радиодетали для радиолюбителей [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://www.chipinfo.ru.

6. Сайт компании ООО “Рынок Микроэлектроники” [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://www.gaw.ru.

7. Форум радиолюбителей [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://radioklad.ru.

8. Сайт компании ЗАО “ЧИП и ДИП” [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://www.chipdip.ru.

9. Баюков А.В. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: справочник / А.В. Баюков, М.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; под общ. ред. И.М. Горюнова. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1983. 744 с.

10. Иванов В.И. Полупроводниковые и электронные приборы: справочник / В.И. Иванов и др.; под общ. ред. И.И. Черткова. 2 - е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат. 1988. 448 c.

Размещено на Allbest.ru