Проектирование печатной платы стабилизатора напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ существующих конструкций и выбор прототипа

1.1 Назначение изделия и анализ условий эксплуатации

1.2 Анализ существующих конструкций и выбор прототипа

1.3 Описание проектируемой конструкции изделия

1.4 Выбор элементной базы

1.5 Расчет элементов электрической принципиальной схемы

1.6 Технические требования к изделию

2. Конструирование печатной платы устройства

2.1 Компоновочный расчёт печатной платы

2.2 Выбор материалов для изготовления печатной платы

2.3 Расчёт размеров элементов печатного монтажа

2.4 Расчет паразитных ёмкостей и индуктивностей печатных проводников

3. Анализ технологичности, надежности и оценка качества продукции

3.1 Оценка технологичности

3.2 Ориентировочный расчёт надежности устройства

3.3 Оценка качества

Заключение

Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

Производство цифровых устройств электронной аппаратуры в настоящее время находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса.

В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей ЦУ и серьезном улучшении таких технико-экономических показателей как надежность, стоимость, габариты, масса. Эти задачи могут быть решены только на основе рассмотрения целого комплекса вопросов системо- и схемотехники, конструирования и технологии, производства и эксплуатации. Именно на стадиях конструирования и производства ЭС реализуются системо- и схемотехнические идеи, создаются изделия, отвечающие современным требованиям.

ЦУ - это устройства, предназначенные для приема ,передачи, хранения и обработки информации в цифровой форме.

Проектирование современных ЭС сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия электронно-вычислительных систем, схемы, конструкции аппаратуры и технология её изготовления.

Основное требование при проектировании ЦУ состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности.

Проектирование - это процесс выбора и отображения в КД состава, размеров, формы и внутренних связей между ними.

Целью курсового проекта является создание цифрового печатного узла, выполняющего функцию стабилизации напряжения.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР ПРОТОТИПА

1.1 НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЯ И ОПИСАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Стабилизатор напряжения -- электрическое устройство, получающее питание от внешнего источника питания и выдающее на своём выходе напряжение, не зависящее от напряжения питания. Данный стабилизатор предназначен для питания устройств в процессе их налаживания.

Принцип работы изделия заключается в следующем: он защищает устройства от повышения или понижения напряжения питающей сети. Работа стабилизатора происходит без разрыва цепи нагрузки, без искажения формы выходного напряжения, что имеет большое значение. Использование данного ЦУ позволяет увеличить ресурс и срок службы оборудования, а так же к экономии электроэнергии.

Разрабатываемое изделие будет эксплуатироваться в следующих условиях:

технические параметры:

- напряжение питания: 18...25 В;

- потребляемый ток: не более 10 мА;

- время работы 20 тыс. часов.

климатические воздействия:

- температура -45 +40 ⁰С;

- относительная влажность воздуха 40-80%;

- атмосферное давление 83-106 кПа.

механические воздействия:

- вибрация частотой до 500Гц;

- длительность ударного импульса 2 мс.

1.2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР ПРОТОТИПА

ЦУ предназначено для стабилизации напряжения. Конструкция изделия представляет собой печатный узел с установленными навесными элементами.

Требования к установке элементов на печатной плате.

ЭРЭ массой более 10 грамм на печатную плату устанавливаются при помощи выводов.

ЭРЭ с массой более 15 грамм должны иметь дополнительный крепёж.

Выводы ЭРЭ должны совпадать с узлами координатной сетки.

ЭРЭ на плате должны устанавливаться либо рядами, либо группами параллельно линиям координатной сетки - это необходимо для автоматической сборки и пайки ЭРЭ.

Расстояние между выводами ЭРЭ должно быть кратно шагу координатной сетки.

Для многовыводных ЭРЭ лучше использовать шаг 1,25 мм

Если расстояние между выводами не кратно шагу координатной сетки, то с узлом координатной сетки должен совпадать первый вывод микросхемы.

Цоколёвка выводов должна быть указана (ключ на микросхему).

Обязательно указать цепи питания, как правило, для питания предназначены первый и последний выводы микросхемы.

ЭРЭ на плату устанавливаются с зазором, если же плата изготовлена химическим методом(односторонняя) или на корпусе элемента имеется изоляция, то элементы устанавливаются без зазора.

При вертикальной установке необходимо учитывать воздействие вибрации. Если элементы имеют планарные выводы, то такие элементы можно устанавливать с противоположных сторон платы.

Для повышения жёсткости выводов и для обеспечения зазора между корпусом элемента и печатной платы допускается применять гибку выводов.

Элементы должны равномерно размещаться по площади печатной платы.

Базовым аналоговым элементом схемы является КР142ЕН18Б.

1.3 ОПИСАНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ

В результате анализа технического задания было выяснено, что получить требуемые параметры, используя типовые схемы стабилизаторов трудно, вследствие сложности проектирования: большое количество каскадов (больше 10) и большое количество элементов обвязки. Расчет такого стабилизатора также будет затруднен необходимостью подбора радиоэлементов по параметрам и согласование каскадов. Оптимальным решением в данном случае будет применение интегрального стабилизатора напряжения на микросхеме DA1(LM337T). Такие стабилизаторы содержат большое количество транзисторов (больше 10) , подобранных по параметрам, каскады включения согласованы. Не маловажным фактором является и то, что основные каскады стабилизации содержаться в одном корпусе. Это обеспечивает термостабильность (работу стабилизатора при температурах -40С до +100С).

Размещено на http://www.allbest.ru/

На приведенной схеме стабилизатора напряжения резисторы R1, R2 и конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы содержатся в перечне элементов по параметрах стабилизаторов.

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении.

Конденсатор С3 - для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения.

1.4 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Таблица 1 Элементы стабилизатора

ЭРЭ	Обозначение	Длинна (мм)	Диаметр (мм)	Ширина (мм)	Площадь (мм)
Конденсатор К10-7B- 0.1 мкФ ±5%	С1	3	4	3,5	10,5
Конденсатор К50-35-16 мкФ ±5%	С2	3	6	5	15
Конденсатор К50-35-50 мкФ ±5%	С3	6	8	9	54
Микросхема LM337T	MC	8	4	9	63
Резистор МЛТ-0.125- 1.2 кОм 5%	R1	2	2,2	4	8
Резистор МЛТ-0.125- 2 кОм 5%	R2	2	2,2	4	8
Резистор МЛТ-0.125- 200 Ом 2%	R3	2	2,2	4	8
Резистор МЛТ-0.125- 160 Ом 2%	R4	2	2,2	4	8
Резистор МЛТ-0.125- 82 Ом 2%	R5	2	2,2	4	8

1.5 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Линейный регулируемый стабилизатор напряжения отрицательной полярности. Микросхема LM337T защищена от кратковременного замыкания выхода, но не защищена от замыкания входа - такая ситуация, равно как и любое превышение выходного напряжения над входным приводит к выходу микросхемы из строя. В случае возможности возникновения такой ситуации, в частности если ёмкость на выходе стабилизатора превышает ёмкость на входе, устанавливают защитный диод по входу.

Защитный диод между регулировочным входом и выходом устанавливают только при установленной ёмкости между ними для защиты стабилизатора от разряда этой ёмкости либо при параллельной работе нескольких стабилизаторов.

Фланец(радиатор) корпуса микросхемы LM337T соединен со входным выводом и поэтому должен быть при монтаже изолирован от общего провода.

Uопорн. 1,25±0,05V

Uвых-Uвх.макс. -40V

Uвых.допуст. -1,25..37V

Iвых.макс. 1,5A

Iвых.мин. <10mA (тип. 2,5mA)

Iрегул. <100µA (тип. 65µA)

Pмакс. (с теплоотв.) 10W

Uвых-Uвх(мин.) 1,3V

Диапазон температур кристалла -40..+125°С

Корпус TO-220

1.6 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗДЕЛИЮ

1. Диапазон входного напряжения, В 90-260

2. Мощность, потребляемая в режиме холостого хода, при Uвх= 220В, не более 50Вт

3. Рабочая частота, Гц 50/60

4. Коэффициент мощности, не хуже % 0,97

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ УСТРОЙСТВА

2.1 КОМПОНОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

После выбора элементов электрической принципиальной схемы выполняем компоновочный расчет печатной платы. Определяем площадь платы, как сумму входящих площадей элементов с учетом коэффициента заполнения. Из таблицы 1 берем площади ЭРЭ и находим площадь ЭРЭ:

Определяем площадь платы:

Sпл=?S эрэ*Кзап

Sпл=?182,5*1,5=273,75?274мм² , Задаём размер платы: 60Ч40 мм.

2.2 ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Для проектирования функционального узда выбираем одностороннюю печатную плату, изготовленную комбинированным способом. Данный метод широко применяется в производстве. В качестве основания платы выбираем фальгированный стеклотекстолит марки СФ-1-35-1,5-1кл ГОСТ 10316-78. Стеклотекстолит обладает высокой механической прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, низким влагопоглощением, имеет следующие характеристики:

Таблица

Наименование показателя	.
Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц после кондиционирования в условиях 96 часов (40оС) 93%	не более 5,5..
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц после кондиционирования в условиях 96 часов (40оС) 93% для толщин от 0,8 до 3,0 мм.	не более 0,030
Водопоглощение для толщины 3,0 мм	не более 25 мг
Удельное объемное электрическое сопротивление после кондиционирования в условиях: а) 96 часов (40оС) 93% не менее 1,0*1010Ом*м; б) 1 час (125оС) менее 20%	не менее 1,0*109 Ом*м.
Прочность на отрыв контактной площадки не менее 60 Н. Время устойчивости к воздействию расплавленного припоя при t 260оС,	не менее 30сек.
Стойкость к кипячению в воде , ч	1,5
Поверхностное электрическое сопротивление Ом не менее после кондиционирования в условиях:	.
а) 96 часов (40оС) 93% б) 1 час (125оС) менее 20%	1,0*1010Ом*м; 1,0*109 Ом*м

2.3 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

Определяем ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

(1)

где

максимальный ток, протекающий в проводнике.

допустимая плотность тока.

толщина фольги

Определяем минимальную эффективную ширину печатного проводника с учётом допустимого напряжения:

(2)

где

Определяем номинальное значение диаметра монтажных отверстий по значению диаметров выводов:

(3)

·

·

·

·

·

где

- нижнее предельное отклонение от номинального отверстия

мм

- диаметр вывода

r=0.1…0.4

Определяем максимальный диаметр просверленного монтажного отверстия:

(4)

·

·

·

·

·

где

Определяем минимальный эффективный диаметр контактной площадки:

(5)

·

·

·

·

·

где

Определяем минимальный диаметр контактных площадок:

(6)

·

·

·

·

·

Определяем максимальный диаметр контактных площадок:

(7)

·

·

·

·

·

Определяем минимальную ширину проводников при фотохимическом способе изготовления:

(8)

·

где

-толщина фольги

=0,18 (1,2,3 класс точности)

Определяем максимальную ширину проводников:

(9)

·

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка:

Определяем минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

(10)

·

·

·

·

·

где

- расстояние между элементами, принимаемое равным шагу координатной сетки

Определяем минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

(11)



·

·

·

·

где

Определяем минимальное расстояние между двумя проводниками:

(12)

·

·

·

·

·

2.4 РАСЧЁТ ПАРАЗИТНЫХ ЁМКОСТЕЙ И ИНДУКТИВНОСТЕЙ ПЕЧАТНЫХ ПРОВОДНИКОВ

Определяем взаимную ёмкость параллельных проводников для первого типа линии связи для одноконтактного печатного монтажа:

(13)

= 0,17*10^-3 нФ

где

l - длина проводника

l = 0.09 м

t - толщина фольги

t = 0.035 мм

b = 0.31*10^-3

Определяем взаимную индуктивность для первого типа линий:

(14)

= 2*10^-3 Гн

Определяем сопротивление изоляции между проводниками:

(15)

где

- удельное поверхностное сопротивление стеклотекстолита

=5*10⁹ Ом

Определяем паразитную ёмкость между проводниками:

(16)

Определяем индуктивность печатного проводника:

(17)

3. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ, НАДЁЖНОСТИ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА

3.1 ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

Показатели технологичности конструкции

Коэффициент автоматизации и механизации монтажных соединений:

(18)

- число монтажных соединений, выполненных с помощью автоматизации

- общее число монтажных соединений

Коэффициент механизации подготовки ЭРЭ к монтажу

(19)

- число элементов, подготовленных к монтажу механизированным способом

- общее число элементов изделия

Коэффициент автоматизации, контроля и настройки

(20)



- число операций контроля и настройки, выполняемых автоматизированным способом

- общее число операций контроля и настройки

Коэффициент повторяемости ЭРЭ

(21)

- число типовых ЭРЭ

- общее число элементов изделия

Коэффициент использования МС и микросборок

(21)

- число МС и микросборок, используемых в изделии

- остальные ЭРЭ изделия

Коэффициент применяемости ЭРЭ

(22)

- число типовых оригинальных изделий

- общее число ЭРЭ

Коэффициент прогрессивности формообразования

(23)

- число изделий, полученных прогрессивным формообразованием (штамповкой)

- общее число ЭРЭ

Определяем комплексный показатель технологичности изделия:

(24)

3.2 ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЁТ НАДЕЖНОСТИ УСТРОЙСТВА

Определяем надежность устройства:

ЭРЭ	Количество щт, n	Интенсивность отказов
МС	1	0.15*106
R1- R5	5	0.87*106
C1	1	0.13*106
C2-C3	2	0.035*106

Определяем интенсивность отказов элементов

(25)

(26)

(27)

(28)

Определяем надежность устройства:

(29)

Определяем вероятность безотказной работы:

(30)

0,844

Определяем среднее время наработки на отказ:

(31)

3.3 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА

Общая масса изделия

(32)

- масса резисторов

- масса конденсаторов

- масса микросхем

Общая мощность потребления изделием

(33)

- мощность устройств, входящих в изделие

Общая площадь занимаемая изделием

(34)

- площадь устройств, входящих в изделие

стабилизатор напряжение цифровой печатный

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проекта на основании схемы электрической принципиальной произведён выбор элементов устройства исходя из заданных условий эксплуатации и электрических параметров. Осуществлен выбор материала платы: фальгированный стеклотекстолит марки СФ-1-35-1,5-1кл ГОСТ 10316-78. Исходя из входных площадей элементов, был определён размер печатной платы: 60Ч40.

Выполнены конструкторские расчёты:

1. Расчёт печатного монтажа, в результате которого определена ширина печатных проводников, диаметров отверстий и контактных площадок.

2. Расчёт паразитных ёмкостей и индуктивностей печатных проводников.

3. Проведена оценка технологичности изделия и рассчитан комплексный показатель технологичности.

4. Ориентировочный расчет надежности:

P(t)= 0,844 T_cр=0,7

5. Определены показатели качества.

В процессе выполнения курсового проекта выполнены чертежи:

1. Схема электрическая принципиальная стабилизатора напряжения ПК 230113.304.22.14 00 ЭЗ.

2. Чертеж печатной платы стабилизатора напряжения

3. ПК 230113.304.22.14 00 СБ.

Список используемых источников

1. Парфёнов Е. Н «Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры» ,1989.

2. Пирогова Е. В. «Проектирование и технология печатных плат» ,2005.

3. Шахнов В.А. «Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры» ,2005.

4. Терещук Р.М., Терещук К.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: справочник радиолюбителя, 1988.

Размещено на Allbest.ru