Конструкция преобразователя напряжения 12/300В

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

преобразователь плата напряжение безотказность

Для питания электрооборудования от источников постоянного тока широко используются преобразователи напряжения. В настоящее время полупроводниковые преобразователи почти полностью заменили электронные преобразователи и вибропреобразователи.

Основными достоинствами полупроводниковых преобразователей являются малые габариты и масса, высокий КПД и большая эксплуатационная надёжность.

Наметившаяся тенденция микроминиатюризации в радиоэлектронике привела к тому, что полупроводниковые преобразователи напряжения стали применять во вторичных источниках электропитания.

Применение полупроводниковых преобразователей даёт возможность значительно уменьшить массу, габариты, повысить КПД источника электропитания в целом.

В процессе преобразования постоянное напряжение одной величины преобразуется в переменное или постоянное напряжение другой величины.

Для преобразования напряжения по величине в схеме преобразователя применяется трансформатор, а для преобразования постоянного тока в переменный используется переключающее устройство, изменяющее напряжение тока в первичной обмотке трансформатора.

Для уменьшения потерь энергии в преобразователях переключающее устройство должно иметь возможно меньшее сопротивление в открытом состоянии и возможно большее сопротивление в закрытом состоянии. В качестве элементов переключающих устройств в преобразователях напряжения используются транзисторы и тиристоры.

Преобразователи с выходом на постоянном токе называются конверторами, а с выходом на переменном токе называются инверторами. Различие между ними заключается в том, что в конверторах, помимо переключающего устройства и трансформатора, имеется выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Транзисторные преобразователи выполняются преимущественно на небольшую выходную мощность (несколько сотен ватт).

Преобразователи на большие мощности, работающие от первичных источников с повышенным напряжением, рационально выполнять на тиристорах.

Транзисторные и тиристорные преобразователи подразделяются на нерегулируемые и регулируемые.

Регулируемые преобразователи используются как регуляторы или стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.

По способу возбуждения колебаний различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Схемы с самовозбуждением представляют собой релаксационные генераторы с внутренней положительной обратной связью.

Преобразователи с независимым возбуждением состоят из задающего генератора и усилителя мощности. Задающий генератор в большинстве случаев представляет собой преобразователь с самовозбуждением.

Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управления им.

1. Общая часть

1.1 Анализ и обзор существующих устройств подобного класса

DC/DC-преобразователи представляют собой интегральные схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения индуктивного типа. Они содержат все необходимые для работы такого преобразователя управляющие и силовые каскады и требуют лишь незначительного числа внешних компонентов. Компания Texas Instruments (TI) выпускает множество таких ИС. .

Наиболее обширными группами преобразователей являются повышающие и понижающие. Инвертирующие преобразователи, как правило, являются производными от повышающих или понижающих преобразователей, т.е. реализуются путем модификации их схемы. .

Поскольку многие преобразователи ориентированы на применение в составе портативных приложений с батарейным питанием, то часто диапазон входного напряжения характеризуется совместимостью с аккумуляторными батареями:

а) одноэлементными щелочными/никелевыми аккумуляторными батареями;

б) двухэлементными щелочными/никелевыми аккумуляторными батареями;

в) одноэлементными литиево-ионными аккумуляторными батареями;

г) двухэлементными литиево-ионными аккумуляторными батареями.

TI выпускает преобразователи с частотой преобразования от 52 кГц до 4 МГц.

В последнее время существенно возросло число преобразователей с частотой преобразования выше 1 МГц. В настоящее время почти половину от всего ассортимента TI составляют именно такие преобразователи. Если к ним добавить еще и преобразователи с частотой преобразования 500 кГц и выше, то доля их составит более 90%. Повышение частоты преобразования связано в первую очередь с возможностью миниатюризации схемного решения за счет применения чип-конденсаторов. Рост частоты преобразования влияет на повышение уровня собственного потребления, что негативно сказывается на эффективности преобразования при малых токах нагрузки, однако эту проблему TI решает с помощью специально организованных энергосберегающих режимов работы, позволяющих поддерживать КПД преобразования на высоком уровне. .

Подавляющая часть преобразователей (более 75%) рассчитана на работу в промышленном температурном диапазоне от -40 до 85°С.

Устройства для применения в автомобилях могут работать в диапазоне до +125°С. Незначительную долю занимают преобразователи с температурным диапазоном от -30 до 85°С, от -20 до 85°С и от 0 до 70°С. .

Такое многообразие вызвано непрерывным ужесточением требований к занимаемому корпусом пространству (площади посадочного места и высоте).

Выбор повышающего преобразователя осуществляют по максимальному току коммутации (Iком), требования к которому определяют исходя из максимального тока нагрузки (Iнагр), выходного напряжения (Vвых) и минимального входного напряжения (Vвх.мин):

(1.1)

Таблица 1.1 - Повышающие преобразователи -DC/DC

Максимальный ток через коммутатор, мА	4500					TPS61030
	2200					TPS61050- В разработке
	2200				TPS61090
	1500			TPS61029
	1500						TPS61059
	1500			TPS61020
	1500		TPS61100
	1300					TPS61081
	1300				TPS61020
	1000						TPS61058
	1000		TPS61000,TPS61010
	600			TPS61028
	600						TPS61140
	600						TPS61150
	600			TPS61070
	600					TPS61080
	600		TPS61001/2,TPS61011/2
	400				TPS61040
	400						TPS61060
		0,8	0,9	1,8	2,5	2,7	3,3	4,5	5,5	6
		Входное напряжение, В

Рассмотрим еще одну новую разработку TI - семейство повышающих преобразователей TPS6107x. Их важной привлекательной чертой является возможность работы от одно-, двух- и трехэлементной щелочной NiCd- или NiMH-батареи, а также одноэлементной литиево-ионной или литиево-полимерной батареи. При питании напряжением 0,9 В преобразователи способны формировать напряжение 3,3 В при токе нагрузки 75 мА. Если требуется более высокая нагрузочная способность, то необходимо изменить количество элементов в батарее. Так, например, при входном напряжении 1,8 В и том же выходном напряжении 3,3 В нагрузочная способность возрастает вдвое и составляет 150 мА. Если же преобразователь формирует напряжение 5 В и питается от источника напряжением 3,3 В или литиево-ионной батареи, то ток нагрузки может быть до 200 мА. Преобразователи обладают сопоставимым КПД с рассмотренными выше понижающими преобразователями. В данном случае КПД достигает 90% (у понижающих он может достигать 95%). Это стало возможным, благодаря применению на выходе синхронного преобразовательного каскада на МОП-транзисторе (обычно, в качестве нижнего ключевого элемента, использовался диод Шоттки, которому свойственны более высокие потери при низких выходных напряжениях), а также малому собственному потребляемому току (типичное значение 19 мкА).

Применение синхронного МОП-транзистора в выходном каскаде также позволило реализовать функцию отключения нагрузки после перевода преобразователя в режим отключения (через вывод EN). Информация о представителях семейства TPS6107x и их различиях представлена в таблице 2.

Таблица 1.2 - Семейство повышающих преобразователей TPS6107x

Наиме-нование	Час-тота	Выходное	Экономич-ный режим	Порог реагирования	Корпус	Темпе-ратура
TPS61070DDC	1200	Регулируемое	Включен	?0,2хVBAT	і0,8хVBAT	6-выв.	От -40 до 85°C
TPS61071DDC	1200	Регулируемое	Отключен	?0,2хVBAT	і0,8хVBAT	TSOT-23
TPS61072DDC	600	Регулируемое	Отключен	?0,2хVBAT	і0,8хVBAT
TPS61073DDC	600	Регулируемое	Включен	?0,4 В	і1,2 В

1.2 Описание работы структурной схемы

На рисунке 1.1 показана структурная схема преобразователя напряжения 12/300В. На ней отображён принцип работы устройства.

Рисунок 1.1

Работа устройства по данной структурной схеме выглядит следующим образом. При включении напряжение поступает на фильтр, проходит через схему плавного запуска и далее поступает на двухтактный ШИ контролер. С выхода ШИ контролера через схему согласования (1,2) и коммутатор (1,2) первого канала напряжение поступает на преобразователь - трансформатор, далее на выпрямитель далее на стабилизирующий фильтр. Со стабилизирующего фильтра на резистивный делитель, затем с делителя на нагрузку.

Схема контроля разрядки аккумулятора предназначена для оповещения и контроля уровня энергии в аккумуляторной батарее. Оповещение осуществляется световым индикатором.

Для стабилизации выходного напряжения применена обратная связь по напряжению, с делителя выходное напряжение поступает обратно на вход ШИ контролера. Задающий генератор задаёт частоту преобразования, около 40кГц.

1.3 Описание работы принципиальной схемы

На рисунке 1.2 показана принципиальная схема преобразователя напряжения 12/300В.

Рисунок 1.2

Преобразователь построен на трансформаторе Т1 по классической схеме двухтактного преобразователя с выводом средней точки первичной обмотки.

Основа устройства -- двухтактный ШИ контроллер DA1, собираемый из микросхемы КР1114ЕУ4, выход которого включен по схеме эмиттерного повторителя.

Частота преобразования составляет около 40 кГц, она задана резистором R3 и конденсатором СЗ.

Плавный пуск преобразователя обеспечивается элементами R4, R7, С9, VT7. Это защищает плавкую вставку FU1, переключательные транзисторы VT5, VT6 и выпрямительные диоды VD7-- VD10 от перегрузки во время переходного процесса, когда сглаживающие конденсаторы С18--С20 заряжаются. При подаче питающего напряжения конденсатор С9 заряжается, транзистор VT7 в этот момент закрыт.

По мере зарядки конденсатора транзистор VT7 открывается и напряжение на входе компаратора “мертвого времени” (вывод 4 DA1) уменьшается. За счет этого коэффициент заполнения импульсов контроллера плавно увеличивается от нуля до максимального значения (48 %). Данное решение, в отличие от обычно применяемой RC-цепи, позволяет получить максимальную скважность управляющих импульсов за счет крайне малого сопротивления сток--исток транзистора VT7 в открытом состоянии. Диод VD2 ускоряет разрядку конденсатора С9 при отключении питающего напряжения.

Транзисторы VT1, VT2, а также VT3, VT4 -- эмиттерные повторители, которые обеспечивают быструю перезарядку емкости затворов полевых транзисторов VT5, VT6. Диоды VD3, VD4 шунтируют резисторы R8, R9 в цепях затворов, ускоряя процесс закрывания этих транзисторов, уменьшая тем самым потери при переключении. Для ограничения выбросов напряжения на стоках транзисторов VT5, VT6 до безопасного значения установлены ограничительные диоды VD5, VD6.

Для стабилизации выходного напряжения применена обратная связь по напряжению на встроенный ШИ контроллер DA1 усилитель сигнала ошибки. Выходное напряжение преобразователя через резистивный делитель R14R15 поступает на неинвертирующий вход этого усилителя (вывод 1 DA1).На инвертирующий вход усилителя (вывод 2) через резистор R1 поступает напряжение со встроенного источника образцового напряжения (5 В) с вывода 14 DAI. Повышение выходного напряжения приводит к линейному уменьшению длительности импульсов на выводах 9 и 10 ШИ контроллера DA1, что приводит к уменьшению выходного напряжения, т. е. его стабилизации.

С помощью резисторов R1 и R2 установлен коэффициент усиления встроенного усилителя сигнала ошибки, равный примерно десяти. Это позволило не допустить существенной разницы в длительности управляющих импульсов на выводах 9 и 10 ШИ контроллера.

На элементах DA2, HL1, R10-R13 выполнен узел контроля разрядки аккумуляторной батареи. Питающее напряжение с делителя R10, R11 поступает на управляющий вход микросхемы DA2 -- параллельного стабилизатора напряжения, который применен в качестве компаратора. При напряжении на управляющем входе более 2,5 В через светодиод HL1 протекает ток, свечение которого сигнализирует о нормальном напряжении аккумуляторной батареи, а отсутствие свечения -- о ее разрядке. Диод VD1 защищает устройство от неправильной полярности питающего напряжения -- в случае возникновения такой ситуации сгорает плавкая вставка FU1. Питающее напряжение на ШИ контроллер DA1 поступает через фильтр питания L1,C4,C6.

В устройстве применены резисторы С2-23, оксидные конденсаторы -- импортные, конденсаторы С1--СЗ -- К10-17, остальные -- керамические для поверхностного монтажа типоразмера 0805 или 1206. Транзисторы IRF3205 заменимы на IRFI3205 или IRL3705N. транзисторы 2SC3205 и 2SA1273 -- на КТ961 и КТ639 соответственно (с любыми буквенными индексами). В последнем случае желательно подобрать экземпляры со статическим коэффициентом усиления по току не менее 100. Диоды 1.5КЕ36А можно заменить на диоды 1.5КЕ39А, 1.5КЕ47А или Р6КЕ36А. Р6КЕ39А, Р6КЕ47А. a UF2007 -- на FR207 или HER207. Полными аналогами ШИ контроллеpa TL494CLP являются микросхемы КА7500 и КР1114ЕУ4. После монтажа транзисторов VI5 и VT6 на плату к ним через изолирующие теплопроводящие прокладки крепят общий теплоотвод, представляющий собой алюминиевую пластину размерами 50Ч20 мм и толщиной 2… 4 мм. Все элементы преобразователя, за исключением светодиода, держателей плавких вставок, выключателя питания, входных и выходных гнезд, установлены на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм.

2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Расчет основных узлов

2.1.1 Расчёт выпрямителя

Расчёт выпрямителей производится согласно техническому заданию, в котором должны содержаться данные о сети, питающей выпрямитель, и его выходные параметры.

Начинаем расчет выпрямителя, обеспечивающий следующие показатели: напряжение на нагрузке U0=300В; ток нагрузки I0=1А; коэффициент пульсации выпрямительного напряжения kп,вых=0,02; напряжение питающей сети Uc=12В; частота сети fс=40кГц.

а) Определение сопротивления нагрузки

Сопротивление Rн определяется согласно закона Ома по формуле;

Rн =(Ом) (2.1)

б) Входную мощность выпрямителя определяем по закону Ома по формуле;

Р0= (Вт) (2.2)

в) Определяем требуемый коэффициент сглаживания фильтра

Для мостовой схемы коэффициент пульсации на входе выпрямителя равен 0,67, тогда коэффициент сглаживания на выходе выпрямителя определяется по формуле;

q= (2.3)

г) Определяем коэффициент пульсации на выходе фильтра

Kп,вых=, что лучше заданного. (2.4)

д) Находим обратное напряжение на выпрямителе по формуле;

Uобр.max=1,57Uвх.=1,57*300=471В (2.5)

е) Находим долю выпрямленного тока по формуле;

Iср = 0,5I0 =0,5*1=0,5(А) (2.6)

Выбираем из справочника диод UF2007. Его данные: допустимый выпрямительный ток Iдоп.=4А; допустимое обратное напряжение Uобр.доп.=500В; tокр,доп=1300С.

Как видно из данных, ни по одному из параметров у выбранного диода не достигается предельный режим. Диоды в теплоотводе не нуждаются. В схеме моста используются четыре диода.

2.2 Разработка конструкции печатного узла устройства

2.2.1 Выбор элементов схемы

Данное устройство эксплуатируется в закрытом помещении при нормальной температуре, влажности и давления воздуха. Температура при этом составляет 20°±10°С, давление 720-780 мм. р. с., и влажности 50-70%.

Все элементы устройства выбраны в соответствии с ОСТ4-010.030.-81.

Исходя из показаний схем потребляемая мощность резисторов не превышает 0,5 Вт. Исходя из этого выбираем самые распространенные металлопленочные лакированные теплостойкие резисторы С2-23 ОЖ0.467.134ТУ. Данные резисторы имеют небольшие размеры. Их сопротивление от 10 Ом до 1 МОм, допуск ±10% от номинального значения рассеиваемой мощности 0,5 Вт.

Конденсаторы электролитические фольговые алюминиевые типа К50 с номинальным напряжением 16,25,63,450В. Их положительное качество в том, что они могут иметь емкость до сотен и даже тысяч микрофарад при относительно небольших габаритах. Большое сопротивление электролита приводит к тому, что тангенс диэлектрических потерь конденсатора достигает значение 1,0. Данные конденсаторы имеют допуск отрицательных температур “Н” (неморозостойкие t=-10°С). Электролитические алюминиевые конденсаторы допускают эксплуатацию при температуре не более +60°С. Конденсаторы керамические К10-17 и Кер. ЧИП конд с рабочей температурой от -40+85 и интенсивность отказов 0,01.

При понижении температуры окружающего воздуха до -10°С емкость уменьшаться более чем в 2 раза, а при увеличении до предельного значения увеличивается на 20-30%.

Так как при изменении температуры на 20°С (то есть рабочий предел температур составляет примерно от +5 до +45°С) изменяться параметры схемы.

Изменение емкости конденсатора, в результате изменяется параметр фильтров. И может измениться форма напряжения. Так же меняться сопротивление резисторов (при повышении температуры от +20 до+60°С интенсивность отказа элементов увеличивается в 5 раз). Изменение сопротивления может способствовать “выходу из строя” некоторых элементов. При повышении температуры, в диодах, увеличивается обратный ток диода вследствие увеличения числа основных носителей.

Коммутационные устройства - кнопка и предохранители подобраны в соответствии с номинальными значениями входного напряжения и максимально допустимого тока.

Для кнопки «PS700L», максимально входное напряжение 30В, ток 0,35А.

Для предохранителей FU1 марка ВП2Б-1В максимальный ток 5А, FU2 марка ВП2Б-1В максимальный ток 0,25А.

2.2.2 Выбор типа печатной платы

Все печатные схемы по конструкции подразделяют на однослойные и многослойные. Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на который наноситься печатный проводник. Если он расположен на одной стороне изоляционного основания, то такая плата называется односторонней, если на двух сторонах изоляционного основания, то плата называется двухсторонней. Многослойная печатная плато состоит из нескольких печатных слоев изолированных склеивающимися прокладками. Многослойная печатная плата имеет соединение между проводниками расположенными в различных слоях или открытый доступ к отдельным участкам проводников внутренних слоев для припайки к ним электрорадиоэлементы.

Процесс изготовления изоляции печатной платы с печатным монтажом состоит из двух основных операций:

а) создание изображений печатных проводников:

1) копирование изображения с негатива на светочувствительный слой;

2) печатание изображение защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы.

б) создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.

Самое большое распространение получили три метода токопроводящего слоя. Химический, при котором производиться вытравливание незащищенных участков фольги предварительно наклеенной на диэлектрик. Электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1 - 2 мкм, который затем наращивается гальваническим способом до нужной толщины. При этом методе одновременно с проводниками металлизируются стенки отверстий, которые можно использовать как перемычки для соединения проводников расположенных на различных сторонах платы. Комбинированный метод. Сущность его состоит в том, что сочетаются химический и электрохимический метод. При использовании комбинированного метода проводники получаются травлением фольги и металлизируются отверстия электрохимическим методом. Метол, нанесенный на стенки отверстия, должен быть соединен с контактной площадкой по всему периметру отверстия. При установке объемных проводников и выводов элементов металлизированные монтажные отверстия обеспечивают надежные впаянные контакты. В этом случае припой затекает в отверстие и контактирует не только с частью вывода, но и со стенкой отверстия и той частью вывода, которая расположена в нем. Использование не металлизированных отверстий приводит к меньшей надежности пайки. В данное время для изготовления печатных плат применяют химический и комбинированный метод. Химический метод обеспечивает большую производительность при этом не может быть получена высокая плотность монтажа, кроме того, он не может обеспечить высокую надежность пайки. Платы, изготовленные этим способом уступают платам, изготовленным электрохимическим способом.

Электрохимический способ можно использовать как для одностороннего и для двухстороннего монтажа. В данном случае для схемы повышающего преобразователя напряжения целесообразно использовать электрохимический способ получения плат при одностороннем монтаже. Использование одностороннего монтажа объясняется тем, что схема не сложна и все дорожки можно расположить на одной стороне платы. Тем более что односторонняя плата уменьшает стоимость конструкции, значительно упрощает ее изготовление и ремонт.

Для изготовления преобразователя напряжения 12/300В выбираем плату с односторонним монтажом.

2.2.3 Выбор способа установки элементов на печатную плату

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами называют печатным узлом.

Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстие печатной платы и запаивают. Если корпус электрорадиоэлементов имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим площадкам внахлест.

Электрорадиоэлементы со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны. Для платы с односторонней фольгой - на стороне, где нет фольги. Это обеспечивает возможность высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной».

При размещении электрорадиоэлементов на печатной плате необходимо учитывать следующее:

а) полупроводниковые приборы и микросхемы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.).

б) должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты.

в) должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировании схемы.

При выборе межцентрового расстояния L, высоты H и других размеров следует

учитывать, что для всех типов электрорадиоэлементов ограничено минимальное расстояние от корпуса элемента, на котором можно производить гибку вывода, и минимальное расстояние от корпуса до места приложении паяльника при пайке.

Элементы установленные по типу Iа (рисунке 1) могут работать в более жестких условиях чем элементы установленные по типу IIа (рисунке 2) и IIIа (рисунке 3).

Рисунок 1 - Установка элементов по типу Iа

Рисунок 2 - установка элементов по типу IIа

Рисунок 3 - Установка элементов по типу IIIа

В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы - их нужно крепить дополнительно за корпус.

Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элемента можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.

Электрорадиоэлементы должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки электрорадиоэлементов на печатной плате. При большом количестве микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть не менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке.

Элементы имеющие большую массу следует размещать вблизи мест крепления платы и закреплять на шасси аппаратуры.

При изготовлении печатного узла преобразователя напряжения 12/300В установку элементов будем выполнять по типу Iа.

Трансформатор расположим на краю платы, остальные элементы не имеют больших размеров, и их вес не будет влиять на прочность платы.

2.2.4 Выбор материала печатной платы

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

а) на бумажной основе;

б) на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины. Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований (см. дальше) следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса.

Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса, последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Характеристики слоистых пластиков

Тип	Максимальная рабочая температура, 0C	Время пайки при 2600С, сек	Сопротивление изоляции, МОм	Объемное сопротивление, МОм	Диэлектрическая постоянная,
Фенольный гетинакс	110-120	5	1 000	1·104	5,3
Эпоксидный гетинакс	110-120	10	1 000	1·105	4,8
Эпоксидный стеклотекстолит	130-150	20	10 000	1·106	5,4

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

Для изготовления печатной платы преобразователя напряжения 12/300В в качестве материала для печатного узла выбираем фольгированный стеклотекстолит марки СФ-1-35-1,5.

2.2.5 Расчет размеров печатной платы

По схеме электрической принципиальной выбираются все элементы, которые будут установлены на печатной плате и их установочные размеры, все это сводится в таблицу 2.2 - Площадь и количество установочных элементов частотомера

Таблица 2.2 - Площадь и количество установочных элементов.

Наименование и тип элемента	S элемента, ммІ	Количество элементов	Площадь группы элементов ммІ
Резисторы
С2-23 - 0,5	27,5	15	378
Конденсаторы
К50-29	32,42	4	129,6
К50-35	48,5	5	242,5
Кер. ЧИП конд.	6,1	5	30,5
К10-17Б	23,4	3	70,2
Диоды
КД103А	110	1	110
КД258Д	109	3	327
1,5КЕ	105,2	2	210,4
UF2007	98,04	4	392,16
Транзисторы
КП501А	32,04	1	37,04
КП767Б	34,3	2	70,6
КП303Г	36,6	2	73,2
КП103Е1	35,07	2	70,14
Микросхемы
КР1114ЕУ4	129,3	1	129,3
Наименование и тип элемента	S элемента, ммІ	Количество элементов	Площадь группы элементов ммІ
К561ТЛ1	49,3	1	49,3
Трансформатор
ТП 121-9	337,16	1	337,16
Индуктивность
ДМ 0,1	58,9	1	58,9
Итого			2887,5

Полученную элементную площадь РЭ умножаем на коэффициент заполнения - это необходимо выполнять для того, чтобы детали располагались на плате свободно, а также для удобства проведения печатных проводников.

Выбираем коэффициент заполнения равный 2, так как необходимо обеспечить максимальный теплоотвод элементов.

Общая площадь печатной платы с учётом коэффициента заполнения равна S=2887,5*2=5775 мм2

Отношение сторон печатной платы должно быть меньше или равно отношению 3/1.

Выбираем плату со сторонами 105Ч55 мм.

2.2.6 Выбор шага координатной сетки

Чертежи печатных плат выполняют на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом.

Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника. При этом на сетке можно воспроизвести рисунок печатной платы при изготовлении фотооригиналов, с которых будут изготавливать шаблоны для нанесения рисунка платы на заготовку.

Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2,5 или 1,25.

Шаг 1,25 применяется в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм.

Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки.

Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки.

Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод на вертикальной или горизонтальной линиях координатной сетки.

Обращая внимание на используемые РЭ в устройстве выбираем шаг координатной сетки равный 2,5 мм.

2.2.7 Разработка топологии печатной платы

Разработку топологии выполняют на ЭВМ или на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом, в данном случае равный 2,5 мм.

Топологический метод конструирования это графическое представление взаимного расположения элементов конструкции и соединяющих их электрических цепей с реализацией свойств, заложенных в принципиальной схеме.

Топологический метод позволяет решать задачи возможного сокращения количества проводников, их длины, числа паяных соединений,выводов на разъемы с учетом обеспечения параметров в соответствии с заданными свойствами конструкции.

Основным документом для разработки топологии при компоновке элементов радиоэлектронной аппаратуры служат принципиальные электрические схемы, схемы соединения, геометрия монтажных площадок (панелей, плат, шасси), размеры и форма размещаемых элементов. На размещение элементов значительное влияние оказывают также принятые в каждом случаи критерии оптимального конструирования.

В качестве основных критериев принимают минимальные значения:

а) расстояние между элементами, имеющими наибольшее количество соединительных проводников;

б) суммарной длины проводников;

в) количества проводников;

г) количества пересечений (для печатного монтажа);

д) количество проводников, присоединяемых к одной монтажной точке;

е) количество проводников, присоединяемых к контактам электрических соединителей, соединительных планок и других опорных точек.

С уменьшением расстояний между радиоэлектронными элементами или между проводниками появляется опасность превышения допустимых пределов паразитных связей, при этом можно ожидать и ухудшения теплового режима. Таким образом, к перечисленным выше критериям, прибавляются еще и критерии функционального качества, выражаемые электромагнитной совместимостью и тепловым градиентом.

Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. Диаметры отверстий в плате и диаметры контактных площадок для печатной платы приведены в таблице 2.3

Таблица 2.3 - Диаметры отверстий в плате и диаметры контактных площадок

Диаметр отверстия в плате (мм)	Диаметр контактной площадки (мм)
0,5	1
0,8	1,5
1,3	2,5
2	2,8

Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее толщины платы.

Чтобы обеспечить надежное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий делать в виде кольца.

Отверстия на плате располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы. В противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь достаточной механической прочности.

Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы от планарных корпусов, делать прямоугольными.

Печатные проводники выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.

2.2.8 Выбор технологического метода производства печатной платы

Разнообразие базовых методов изготовления печатных плат зачастую ставит перед необходимостью выбора схемы процесса для воспроизведения рисунка заданного класса точности. При выборе можно руководствоваться рядом критериев, оговоренных в ГОСТ23751.

Рассмотрим четыре основные схемы методов и способов производства печатных плат:

а) тентинг-метод (с прямой металлизацией);

б) комбинированный позитивный метод (с прямой металлизацией);

в) комбинированный позитивный метод (с химической металлизацией);

г) полуаддитивный метод с дифференциальным травлением.

Тентинг-метод это самый дешевый и быстрый процесс изготовления печатных плат, при котором металлизация отверстий происходит по всей поверхности.

При тентинг-методе воспроизводимость рисунка проводник изазор 0,14/0,14 мм.

Комбинированный позитивный метод позволяет воспроизводить более тонкие проводники за счет меньшей толщины вытравливаемого металла. Толщина используемых в этом методе фоторезистов определяется лишь тем, что толщина рельефа должна быть больше толщины наращиваемой в этом рельефе металлизации (проводников).

Нужно принять во внимание, что при травлении меди по металлорезисту включается в работу гальваническая пара медь-металлорезист (олово -- свинец) и подтравливание может занять больше времени. Но использование интенсивного струйного травления с большим напором струй может нейтрализовать это явление.

Полуаддитивный метод с дифференциальным травлением позволяет воспроизводить еще более тонкие проводники, чем вышеуказанные методы. На нефольгированный диэлектрик осаждают минимальный слой меди, чтобы обеспечить возможность дальнейшей металлизации проводников и отверстий. И так как вытравливается только этот минимальный слой (около 3 мкм), то величина подтравов минимальна (до 2мкм), что позволяет воспроизводить проводники малой ширины. В этом случае воспроизведение рисунка определяется преимущественно толщиной используемого фоторезиста, толщина которого должна создать рельеф для металлизации, чтобы она не «выплескивалась» за границы трассы. Поэтому и в этом методе вынуждены применять относительно «толстый» фоторезист толщиной около 30 мкм.

Величина П/З для данного метода определяется разрешением фоторезиста и может составлять 0,02/0,02 мм.

Вывод:

Выбор метода изготовления существенно сказывается на точности воспроизведения рисунка печатных плат.

Тентинг-метод при всех его преимуществах не может претендовать на воспроизведение рисунка выше 4 класса по ГОСТ 23751.

Прецизионные печатные платы с проводниками и зазорами около 50 мкм и менее могут быть изготовлены только полуаддитивными методами в сочетании с дифференциальным травлением.

Для изготовления печатной платы преобразователя напряжения 12/300В используем комбинированный позитивный метод (с прямой металлизацией).

2.2.9 Выбор способа защиты печатного узла

Проблема надежности радиоаппаратуры тесно связана с защитой деталей узлов и аппаратуры от воздействия окружающей среды. Особенно важно учитывать воздействие на радиоаппаратуру во время ее эксплуатации высокой и низкой температуры, тепловых ударов, разреженности воздуха высокой влажности, радиации механических ударов и вибрации.

Воздействие перечисленных факторов на изделие неодинаковы. Особое место среди этих факторов занимает термическое воздействие. Положение осложняется тем, что тепло проникает в аппаратуру не только снаружи но и изнутри за счет рассеивания мощности элементов.

При работе аппаратуры при низких температурах может произойти тепловой удар. То есть на поверхности элементов и печатной платы возникает конденсат. При этом могут возникнуть следующие неисправности: нарушается стабильность рабочей частоты; изменяются электрические параметры отдельных узлов (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов и так далее); появляются утечки и замыкания в соединительных кабелях и электрических разъемов ухудшается изоляция деталей и узлов. Конденсат на поверхности деталей, контактах и дорожках печатной плат образует проводники, которые шунтируют их.

Предохранение деталей и узлов от влаги одна из важнейших задач проектирования радиоаппаратуры. За последние годы все более широко применяется специальная технология обработки деталей и узлов. Детали обрабатываются снаружи или пропитываются слоем электроизоляционного материала обладающего малой влагопроницаемостью и обеспечивающего надежную герметизацию деталей от окружающей среды. Тем самым обеспечивается защита от влаги, химически агрессивных веществ, плесени и микроорганизмов.

Следует иметь в виду, что герметизация имеет следующие недостатки:

а) усложняется ремонт;

б) увеличивает паразитные емкости и диэлектрические потери;

в) возникает возможность появления механических напряжений при усадке герметизирующего материала.

Методы защиты сводятся к нескольким основным процессам:

пропитка;

а) заливка;

б) обволакивание;

в) опрессовка;

г) герметизация.

Не один из этих методов не является универсальным и имеет преимущества и недостатки.

Пропитка. Этим методом пользуются для заполнения микропор и капилляров в волокнистых изоляционных материалов. Одновременно с этим происходит частичное заполнение промежутков.

Пропитка не только повышает влагостойкость, но и способствует увеличению электрической и механической прочности, сопротивление изоляции и теплопроводность обмоток, а так же химическую стойкость.

Однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надежно защитить плату от влаги при длительном воздействии так как абсолютно влагонепроницаемых лаков не существует.

Наиболее часто для покрытия печатных плат используется лак УР231

Для защиты печатного узла нашего устройства после проверки и настройки покрыть с обеих сторон лаком УР231 ТУ 6-21-14-90.

2.3 Разработка конструкции прибора

2.3.1 Общие требования к конструкции прибора

При проектировании каждого радиоэлектронного изделия необходимо учитывать комплекс требований, отражающих требования эксплуатации.

Устройство должно быть сконструировано таким образом, чтобы его можно было эксплуатировать неквалифицированным потребителям.

Корпус прибора является важной частью изделия и во многом определяет эксплутационные и технологические характеристики.

2.3.2 Выбор корпуса устройства

Важной частью изделия является корпус устройства, он во многом определяет эксплутационные и технические характеристики. Корпус устройства должно удовлетворять следующим требованиям:

а) однозначно определять взаимное расположение всех составных частей изделия;

б) обеспечивать заданный тепловой режим (вентиляция деталей прибора);

в) иметь прочную и жесткую конструкцию и обеспечивать защиту всех элементов прибора от механических повреждений;

г) иметь минимальный вес и габариты;

д) позволять легко и быстро подключать устройство к другим устройствам, связанным с ним;

е) обеспечивать защиту изделия от влаги и пыли в ряде случаев.

Обслуживание устройства (периодические профилактические и ремонтные работы) должно быть простым. Для этого должны быть обеспечены:

а) удобный монтаж и демонтаж аппарата;

б) легкий доступ к узлам прибора;

в) возможность быстрой замены узлов и деталей, обладающий наименьшим сроком службы.

Для изготовления преобразователя напряжения 12/300В выбираем корпус, покупной, марки G447 (150х80х60), изготовленный из полистирола и доработанный для установки коммутирующих и предохраняющих устройств, и который удовлетворяет нашим требованиям.

2.3.3 Компоновка устройства

Важным фактором при разработке конструкции какого-либо устройства является компоновка радиотехнического изделия.

Компоновка радиотехнического изделия - это часть процесса конструирования, во время которого определяются формы и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной степени зависит технические, технологические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность. В процессе компоновки необходимо соблюдать следующие требования:

а) между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны ухудшать их технических характеристик;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки и монтажа, легкий доступ к деталям для контроля и ремонта;

в) расположение конструктивных органов управления и отсчетных устройств должно обеспечивать максимальные удобства для пользователя;

г) изделия должны удовлетворять требованиям технической эстетики;

д) габариты и вес изделия должны быть минимальными.

Реализовать все перечисленные требования одновременно не удается, поэтому приходится искать компромиссное оптимальное решение. Радиотехнические изделия имеют разное назначение и состоят из различного количества элементов, например, радиоприемник - блок, а радиолокационная станция - стойка со многими блоками.

Однако следует отметить, что габариты и вес изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов. Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа - среднее количество радиоэлементов, уменьшающееся в единице объема.

Устройство при необходимости должно искусственно охлаждаться. Наличие охлаждения зависит от выделяемого электрорадиоэлементами тепла. Чем больше выделяемое тепло, тем сильнее устройство должно охлаждаться.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не представляется возможным. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимальных решений.

При конструировании устройства все элементы стремятся скомпоновать в виде одного блока, удобного для эксплуатации.

Плата крепится на основание корпуса на четыре сквозных винта через пластмассовые втулки высотой 4 мм.

На левой стороне корпуса расположены два гнёзда для источника питания с соответствующей маркировкой: «+12», «-12», там же располагается держатель для предохранителя FU1.

На лицевой стороне (крышки) корпуса расположены кнопка включения устройства (PS700L), и светодиод HL1, который крепится через отверстия на лицевой панели клеем. Справа, на корпусе крепится разъём двухконтактный (ВД1-1), рядом с ним держатель для предохранителя FU2.

Крышка выполняет роль лицевой панели.

На левой и правой боковых панелях корпуса предусмотрены отверстия диаметром 2 мм для естественной вентиляции воздуха. Снизу корпуса для большей устойчивости устройства приклеены по углам 4 квадратных резиновых пластины (10х10х1,5).

Лицевая панель, выполняющая роль крышки корпуса, крепится к корпусу при помощи четырёх винтов.

2.4 Расчет надежности

Эффективность автоматизации любых процессов и систем существенно зависит от надежности аппаратуры. Поэтому надежность является центральной проблемой современной техники. Для решения этой проблемы на предприятиях созданы специальные лаборатории, а инженеры занимающиеся проектированием, изготовлением и эксплуатации сложных систем, все чаше стали обращаться к теории надежности.

Теория надежности это наука, изучающая закономерности отказов тех или иных устройств. В радиотехнических устройствах время возникновения отказов зависит от большого числа случайных факторов, его трудно рассчитать и еще труднее измерить. Это объясняется случайным изменением условий эксплуатации (нестабильностью питающего напряжения, вариацией климатических условий и так далее). технологического процесса, условий транспортировки.

Невозможность точного предсказания момента возникновение отказа - существенный недостаток теории надежности, использующий метод теории вероятности.

Надежность радиоаппаратуры разных типов зависит от количества качества комплектующих деталей и узлов, качества сборки и монтажа, режим работы каждого элемента и условий эксплуатации.

Данное устройство содержит большое количество элементов и соединений, которые потенциально могут оказаться причиной отказа всего устройства в целом. Поэтому необходимо рассчитать надежность устройства, учитывая все эти элементы. Для удобства расчетов все эти элементы сведены в таблицу.

Все промышленные понятие изделия характеризуются качеством, то есть совокупностью свойств, которые существенно отличают данное изделие от других и определяют степень его пригодности для эксплуатации по своему назначению. Для измерительной аппаратуры это, прежде всего совокупность конструктивных, технологических, электрических, тепловых и эргономических характеристик.

Качественные показатели изделий оцениваются также способностью к функционированию в условиях внешних помех (радиации, вибрации, ударным перегрузкам, резко изменяющимся климатическим условиям) и используются при производстве уровнем унификации и стандартизации.

В процессе эксплуатации устройства в результате износа необратимых процессов старения характеристики аппаратуре будут изменяться. Изменением качества во времени характеризуют один из главнейших его показателей, называемый надёжностью.

Надёжность - это сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др. в связи со сложностью содержания понятия надёжности её невозможно точно рассчитать, можно лишь приближенно оценить для создаваемых ранее устройств и приближенно прогнозировать для вновь создаваемых. Надёжность устройства в целом в значительной мере определяется надёжностью составляющих его компонентов. Границы сложности устройств зависят в основном от достижимого уровня надёжности составляющих и технических средств.

Работоспособность - состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

Отказ - это случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Различают внезапные и постепенные отказы:

а) внезапными отказами называются такие, которые возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров аппаратуры;

б) постепенные отказы - такие, при которых наблюдается постепенное изменение главных параметров аппаратуры либо из-за их износа, либо из-за старения.

Наработка - продолжительность работы аппаратуры, измеряемая временем, циклами, периодами и т.п.

Для обеспечения надежности приборов необходимо в процессе их эксплуатации соблюдать следующие правила:

а) Рабочие напряжение, токи и мощности не должны превышать максимальных допустимых. Нельзя использовать прибор в режиме, когда одновременно два параметра достигают максимальных допустимых значений.

б) Транзисторы не должны даже короткое время работать с отключенной базой. Для увеличения стабильности их работы сопротивление цепи базы должно быть минимальным.

в) Желательно снижать рабочую температуру прибора. Если она на 10С ниже предельной, то число отказов снижается вдвое.

г) Рекомендуется защищать прибор от перенапряжении. Для этого могут применяться схемы стабилизации напряжения питания. Необходима подача питающих напряжение неправильной полярности.

д) Пайку выводов надо делать паяльником мощностью не выше 60Вт не ближе 10мм от корпуса в течение не более 5сек.

е) Изгиб выводов можно делать не ближе 10мм от корпуса.

ж) Не следует располагать приборы вблизи нагревающихся деталей. Желательно всегда обеспечить, возможно, лучший теплоотвод от корпуса прибора.

з) Не рекомендуется крепить прибор только на выводах.

и) Недопустимо проверять полупроводниковые приборы при помощи таких омметров, которые могут создать в приборе опасные для него токи или напряжения.

Расчет надёжности ведется следующим образом:

Из специальных справочников выбираются данные об интенсивности отказов различных элементов прибора. Далее выбираются коэффициенты влияния на интенсивность отказов прибора. Влияние окружающей среды с=1,5, т.к. прибор является портативным для нахождения в полевых условиях.