Розробка конструкції акустичної системи

• ЗМІСТ
• ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ 3
• ВСТУП 5
• 1. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ 8
• 1.1 Аналіз призначення і складу виробу 8
• 1.2 Аналіз схеми електричної принципової і принцип її дії 10
• 1.3 Аналіз умов експлуатації 15
• 1.4 Аналіз елементної бази 16
• 1.5 Аналіз конструкторсько-технологічних аналогів 29
• 1.6 Аналіз технології виготовлення 30
• 1.7 Розробка додаткових технічних вимог до конструкції ЕА 32
• 2. РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ АКУСТИЧНОЇ СИСТЕМИ 33
• 2.1 Вибір типу і розмірів друкарської плати 33
• 2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати 35
• 2.3 Розрахунок по постійному струму 41
• 2.4 Розрахунок по змінному струму 45
• 2.5 Трасування друкованого монтажу 48
• 2.6 Перевірочний розрахунок теплового режиму 52
• 2.7 Розрахунок надійності РЕА 54
• 3. РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ 57
• 3.1 Вибір структурної схеми виробництва 57
• 3.2 Вибір й обґрунтування методів виготовлення 58
• 3.2.1 Друкована плата 58
• 3.2.2 Збірка й монтаж 61
• 3.2.2.1 Підготовка навісних елементів до монтажу 61
• 3.2.2.2 Установка ЕРЕ 63
• 3.2.2.3 Пайка навісних елементів 65
• 3.3 Напівавтоматична установка навісних елементів з використанням світомонтажного столу 67
• 3.3.1 Обгрунтування 67
• 3.3.2 Структурна схема світомонтажного столу 68
• 3.3.3 Вказівка посадочного місця ЕРЕ на ДП 70
• 3.3.4 Накопичувачі 72
• 3.3.5 Керування 74
• 3.4 Аналіз технологічності виробу 77
• 4. АВТОМАТИЗОВАНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ 81
• 4.1 Структура і функції системи P-CAD 2000 81
• 4.2 Технологія автоматизованого проектування МПП 82
• 4.3 Опис бібліотеки уніфікованих конструктивів БДП 87
• 4.4 Розміщення ЕРЕ 88
• 4.5 Трасування друкованих з'єднань на БДП 90
• 4.5.1 Технологія безсіточного трасування 91
• 4.5.1.1 Ручне трасування 92
• 4.5.1.2 Інтерактивне трасування 93
• 4.5.1.3 Автоматичне трасування 94
• ВИСНОВОК 96
• ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 97
• ДОДАТОК A 99
• ДОДАТОК Б 100
• ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
• НЕ — навісний елемент
• ТЕЗ — типовий елемент заміни
• ІС — інтегральна схема
• ІМС — інтегральна мікросхема
• ЕРА — електрорадіоапаратура
• ЕРЕ — електрорадіоелемент
• ТЕЗ — типовий елемент заміни
• ПЕА — побутова електронна апаратура
• ЕА — електронна апаратура
• ОВВА — електроннорахувальна обчислювальна апаратура
• ЕОМ — елекроннообчислювальна машина
• ТУ — технічні умови
• ТЗ — технічне завдання
• ДП — друкарська плата
• ДМ — друкарський монтаж
• ОДП — одностороння друкарська плата
• ДДП — двостороння друкарська плата
• БДП — багатошарова друкарська плата
• ЗЧ — звукова частота
• ЛК — лівий канал
• ПК — правий канал
• АЧХ — амплітудно-частотна характеристика
• ФВЧ — фільтр високих частот
• ФНЧ — фільтр низьких частот
• ФШ — фотошаблон
• ЧПУ — числове програмне управління
• САПР — система автоматизованого проектування
• ГАВ — гнучке автоматизоване виробництво
• БДП — багатошарова друкована плата

ВСТУП

Сьогодення — це час відкриттів і нових технологій, за якими просто не встигаєш догнати. З’являються нові комп’ютерні ігри з складними звуковими сценаріями і ефектами, що раніше не використалися аудіо. А mp3 стандарт аудіозапису, що завоював, дає можливість будь-якому володареві комп’ютера економити досить хорошу суму при придбанні дисків з піснями, саме в даному форматі.

Залишається тільки одна проблема, як добитися на практиці чистого звучання наших треків? Звук, безпосередньо, залежатиме від звукової карти, яка має свої технічні властивості. Також є ще такий чинник, як наведення усередині корпусу — це може позначитися на відтворному звуці. Навіть при отриманні ідеального звуку на виході аудіокарти ми не завжди зможемо його почути, через те, що неправильно вибрана акустична система під конкретні потреби. При розгляді акустичних систем для персональних комп’ютерів, хотілося б відзначити те, що програвання у них відбувається аналогічно системам для HiFi музичних центрів. Також на них діють обмеження по габаритних розмірах. Допустимо, розміщення низькочастотного динаміка достатньо великого розміру приводить до погіршеного відтворення басів. У мультимедійних акустичних системах досить часто можна втсретить використання єдиного повнодіапазонний динаміка, що у свою чергу теж не дає отримати якісний звук. У більшості акустичних систем, що продаються на нашому ринку, число динаміків не перевищує два.

Обмежуватися двома динаміками зовсім необов’язково. Але дана система поступово відходитиме в минуле. Для реалізації тривимірних аудіоефектів потрібні системи, що складаються з чотирьох або більш за колонки (система 5.1, 7.1). Під низькі частоти (баси) у високоякісних системах зазвичай відводяться окремі колонки, так звані саббуфери. Проте акустичні системи високого рівня зазвичай коштують достатньо дорого, навіть дорожче, ніж самі звукові карти. І такий показник, як висока ціна, нерідко примушує користувача вибирати звичніші двох колонкові конфігурації звукових систем. Недаремно ж виробники мікросхем для побудови звукових карт для підвищення привабливості своєї продукції намагаються вирішити проблему виведення об'ємного звуку на стандартній аудіосистемі з двох колонок.

Раніше активно обговорювалися два типи колонок: активні і пасивні. Пасивні колонки природно дешевше, оскільки є просто динаміками в корпусі. Для роботи вони використовують малопотужний підсилювач, встановлений на звуковій карті. Це приводить до того, що гучність можна регулювати тільки програмними засобами (оскільки власного регулятора гучності більшість карт не містять). Також вбудований підсилювач погано пристосований до виведення якісної музики: максимум його забезпечення хапає для роботи навушників. Від наведень, які йдуть від інших компонентів встановлених на звукову карту і таких, що інших комплектують, застосування вбудованого підсилювача вносить до отримуваного звукового сигналу додаткові перешкоди, особливо це відчувається на великій гучності. Активні ж колонки всіх цих проблем не несуть. У них є власний, достатньо якісний підсилювач і окреме живлення. В результаті, активні колонки здатні отримувати сигнал з лінійного виходу звукової карти, де додаткові перешкоди відсутні. І зараз це привело до того, що пасивні колонки стали просто антикваріатом.

Виходячи зі всіх вимог, що пред’являються до виробу, інженер-електронщик широкого підходу, для створення нових пристроїв, повинен використовувати досягнення світової техніки і високі технічні параметри, створювати сучасний дизайн апаратів, які б відповідали високим експлуатаційним вимогам і були конкурентно здатні в порівнянні з найбільш сучасними зразками — аналогами. Комплексність проектування, полягає в обґрунтованому виборі найбільш ефективних взаємозв'язаних, конструкторських і технологічних рішень схемотехнік, що можливо тільки на базі аналізу різних варіантів конструкцій і технологій виготовлення з урахуванням конкретних технічних вимог і можливостей конкретного виробництва.

1. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ

1.1 Аналіз призначення і складу виробу

Акустична система, що розроблюється призначена для якісного відтворення музичних композицій, звукового супроводу роботи комп’ютера, озвучування аудиторій і тому подібне.

Структурний склад управління акустичної системи можна представити у вигляді схеми, показаної на малюнку 1.1

вч

пк лк

нч Малюнок 1.1 — Схема електрична структурна управління акустичної системи У момент розробки акустичної системи по даній схемі враховувалося те, що стереоефект виявляється в основному на середніх і високих частотах. На низьких же частотах він відчувається слабо, оскільки має мале зрушення фаз між каналами. Тому низькочастотні сигнали лівого і правого каналів змішуються і відтворюються в режимі «моно», а для додання звуку стереозвучання середні і високі частоти лівого і правого каналів відтворюються в режимі «стерео». Призначення двоканального регулятора гучності необхідне для електронного управління рівня вихідного сигналу, а також регулювання балансу каналів.

Регулятор тембру призначений для електронної корекції частотної характеристики всієї схеми на високих і низьких частотах, а також для додання звуку бажаного забарвлення. Зміна характеристики здійснюється на краях частотного діапазону, де необхідно створити потрібну величину підйому або спаду. Пасивні розділові фільтри служать для розбиття частотного діапазону сигналу на дві окремі смуги (низької і високої частоти), причому сума сигналів на виході всіх смуг залишається рівною вхідному сигналу. Для отримання рівня сигналу необхідного для створення звукового тиску вихідний сигнал кожної смуги посилюється своїм підсилювачем потужності і поступає для відтворення на динамічні головки.

Блок живлення необхідний для здійснення живлення електричних ланцюгів акустичної системи постійною напругою +15 В. Цю напругу отримують шляхом перетворення мережевої напруги 220 В, випрямляння в постійний струм і згладжування пульсацій. При введенні до складу акустичної системи блоку живлення дозволяє здійснити автономний режим роботи.

Акустична система, побудована по даній схемі, володіє наступними перевагами, перед іншими системами:

ь має власний, достатньо, якісний підсилювач і окреме живлення (у відмінності від пасивних колонок), що сприяє отриманню сигналу з лінійного виходу звукової карти, де відсутні додаткові перешкоди від інших компонентів звукової карти і що інших комплектують;

ь кращі перехідні характеристики підсилювачів;

ь хороше електричне демпфування рухомої частини гучномовця, оскільки котушка динаміка безпосередньо приєднана до малого вихідного опору підсилювача потужності;

ь можливість отримання фільтрів з великою крутизною АЧХ і узгодженими характеристиками;

ь зниження напруги джерела живлення (вихідна потужність підсилювача рівна сумі потужностей трьох підсилювачів потужності);

При будуванні за даною схемою, акустична система матиме мінімальні габарити і високу якість відтворення.

На основі аналізу призначення можна зробити слідуючи висновки:

а) в пристрої є загрозлива для користувачів напруга-220 В, тому при розробці треба дотримуватись заходів щодо захисту людини від ураження електричним струмом;

б) оскільки акустика система може використовуватись як на виробництві, так і в побутових умовах, слід звернути щільну увагу на економіку та дизайн виробу;

в) серед можливих користувачів пристрою також можуть бути діти — тому треба звернути увагу на безпечність користування — в корпусі не повинно бути гострих граней, треба пильно вибирати конструкційні матеріали, забезпечити міцність конструкції тощо;

г) не обходимо добитись максимальної технологічності конструкції - це знизить її технологічності, і, як результат, — збільшить конкурентоспроможність.

1.2 Аналіз схеми електричною принциповою і принцип її дії

По функціональності схему електричну принципову можна розбити на наступні підсхеми (блоки):

ь підсилювач-регулятор гучності і балансу каналів;

ь регулятор тембру;

ь змішувач;

ь розділові фільтри низької і високої частоти;

ь підсилювачі потужності двох частотних діапазонів;

ь динамічні головки;

ь блоку живлення.

Наявність джерела живлення необхідна для надійної роботи акустичної системи, здатного забезпечити необхідну вихідну потужність при напрузі живлення +15 В. Для зменшення маси і габаритів основного виробу джерело живлення доцільно виконати окремим блоком у власному корпусі і сполучати з основною схемою шнуром. У даному проекті він не розробляється, а приймається вже готовим виробом.

Вхідний сигнал через роз'єм Х1 подається на електронний регулятор гучності, виконаний на мікросхемі DA1 К174ун12 (малюнок 1.2). Через розділові конденсатори С3 і С4 сигнал поступає на керовані напругою підсилювачі регулятора балансу і регулятора гучності мікросхеми К174ун12. Громкость регулюється змінним резистором R3, баланс каналів — R4. Елементи R5, R6 задають ланцюг тонкорекції. Змінним резистором R5 здійснюють регулювання тонкорекції.

Малюнок 1.2-Регулятор гучності на мікросхемі К174УН12

Елементи R1, R2, R5-R16, С2, С4-с11 задають ланцюги зворотних зв’язків і режими роботи керованих підсилювачів мікросхеми. Далі сигнал проходить через розділові конденсатори С3 і С4 (малюнок 1.3) поступаючи на регулятор тембру, що складається з мікросхеми DA2 К174УН10 і задаючих RC ланцюгів R2-R 17, С5-с 12. За допомогою змінного резистора R2 коректується область низьких частот, а область високих частот — резистором R1. Щоб підсилити низькі частоти сигналу лівого і правого каналів з виходу регулятора тембру (виводи 3 і 5 DA2) необхідно провести змішування на резисторах R36-R37 і подати на фільтр низької частоти (ФНЧ). З виводів 3 і 5 сигнал також поступають на фільтр високої частоти (ФВЧ).

ФНЧ виконаний на пасивному ланцюзі RC що складається з елементів R40 і С19. Фільтр налаштований на частоту зрізу f=150 Гц. Фільтр високої частоти лівого і правого каналів виконані на елементах R38, С20 і R39, С21 і частота їх зрізу складає також 150 Гц.

Підсилювач потужності низьких частот звукового діапазону (малюнок 1.4) складається з мікросхеми DA3 К174УН19 і елементів R1-R9,С1-С7. З розділового конденсатора С1 сигнал поступає на не інвертуючий вхід DA3. Резистор R5 задає ланцюг негативного зворотного зв’язку. Елементи R4, С5 включені для запобігання самозбудженню підсилювача на високочастотній ділянці робочої смуги (так званий «антизвонний» ланцюг). Посилений сигнал з виводу 4 DA3 поступає на динамічну головку ВА3.

Малюнок 1.3-Регулятор тембру на мікросхемі К174УН10

Малюнок 1.4-Усилитель потужності на мікросхемі К174УН19

Підсилювач потужності високих частот звукового діапазону побудований на мікросхемі DA4 К174УН15 і елементах R1- R9, С1-С10(малюнок 1.4). Сигнали лівого і правого каналів подаються на виводи 10 і 2, посилені сигнали знімаються з виводів 7 і 5 і поступають на динамічні головки ВА1 ВА2 відповідно. Резистори R1 і R10 встановлюють при виникненні самозбудження. Демпфуючі («антизвонні») ланцюги R4 C6 і R7 C8 необхідні при виникненні характерного резонансного призвуку під час роботи підсилювача.

Малюнок 1.5-Підсилювач потужності на мікросхемі К174УН15

Електричне з'єднання підсилювачів і динамічних головкок здійснюється за допомогою джгутів. Як видно з приведеного вище опису, проектована акустична система не містить високовольтних ланцюгів, що не накладає обмежень на перетин провідників (для друкарського монтажу — на ширину провідних доріжок).

Відмітно навантаженими елементами в схемі є підсилювачі потужності на мікросхемах DA3 К174УН15 і DA4 К174УН19. Для забезпечення нормального теплового режиму, сказаних елементів, а також для зменшення впливу на теплочутливі прилади (напівпровідникові елементи) необхідно рівномірно розподілити теплонагруження елементи по поверхні друкарської плати і встановити мікросхеми на П-образне алюмінієві радіатори. Схема даного пристрій не містить оригінальних елементів. Це дозволяє зменшити кількість типорозмірів і трудомісткість збірки за рахунок застосування автоматизованих методів, що зрештою приводить до підвищення технологічності конструкції і зниження собівартості.

У пристрої ланцюга живлення і «землі», що розробляється, є найбільш довгими ланцюгами, чим інші. Тому їх трасування необхідно виконати в першу чергу, оскільки від їх довжини залежатиме сумарна довжина ліній зв’язку всього пристрою в цілому.

На базі аналізу схеми та прикладу дії можна зробити слідуючи висновки:

а) схема доволі проста, тому її можна реалізувати на друкованій платі з класом точності - 3 та двостороннім розташуванням друкованих провідників;

б) підсилювач DA1потрібно розташувати в безпосередній близькості від роз'єму Х2;

в) діодний міст та фільтри С47… С49 необходімо розташувати близько до роз'єму Х5;

г) DA4 та DA5 є найбільші тепло навантаженими елементами, тому їх треба розміщувати на радіаторах на протилежних сторонах плати.

1.3 Аналіз умов експлуатації

Електронна апаратура класифікується по інтенсивності і характеру дії кліматичних, механічних і радіаційних чинників. Існують стаціонарні і ЕА, що транспортуються. Відповідно до ДСТУ 203 397−82 «Загальні технічні вимоги, приймання, методи випробувань, маркування, упакування, транспортування й зберігання, гарантії виготовлювача акустична система відноситься до групи 1, тобто вона призначена для роботи в сухих опалювальних приміщеннях і належить до наземної стаціонарної апаратури. Сукупність кліматичних і механічних чинників, яким повинна відповідати така апаратура, приведена в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 — Кліматичні і механічні чинники умов експлуатації

Проаналізувавши дані, приведені в таблиці 1.1, дозволяє зробити висновок про те, що для даної розробки не потрібна теплоізоляція, конструювання елементів примусового охолоджування і забезпечення герметичності блоку від дій кліматичних чинників.

1.4 Аналіз елементної бази

Розгляд параметрів елементів, які входять до складу акустичної системи дозволити зробити висновок про можливість застосування їх у даному виробі й відповістити на запитання, чи відповідають обрані ЕРЕ їх характеристики умовам роботи прибудую, зазначеним у розділі 1.3, чи придатні вони для автоматизованого друкованого монтажу, чи відповідає елементна база необхідному значенню надійності.

Мікросхема К174УН10

Мікросхема К174УН10 розроблена для використання в звуковідтворюючій і приймально-підсилювальній апаратурі 1-го і 2-го класів як електронний двоканальний регулятор тембру високих і низьких частот. Конструкційні параметри та наобхідні нам характеристики мікросхеми зазначені нижче.

Малюнок 1.6 — Конструкційні параметри мікросхеми К174УН10

Таблиця 1.2 Основних електричних параметрів мікросхеми К174УН10А

Таблиця 1.3 Гранично допустимі режими експлуатації мікросхем К174ун10а

Мікросхема К174УН12

Дана мікросхема є двоканальним електронним регулятором гучності і балансу каналів. У неї є така можливість, як підключення і вибору оптимальної тонкорекції. Призначення її - це використання в звуковідтворюючій і приймально-підсилювальній апаратурі 1-го і 2-го класів спільно з К174УН10. До складу мікросхем входять керовані напругою підсилювачі і перетворювачі напруги. У даної мікросхеми існує аналог — мікросхема TСA730, яка містить 215 інтегральних елементів.

Малюнок 1.7 — Конструкційні параметри мікросхеми К174УН12

Таблиця 1.4 Основних електричних параметрів мікросхеми К174УН12

Таблиця 1.5 Гранично допустимі режими експлуатації мікросхеми К174УН12

Мікросхема К1401УД1

Малюнок 1.8 — Конструкційні параметри мікросхеми К1401УД1

Таблиця 1.6 Електричні режими експлуатації мікросхеми К1401УД1

Мікросхема К174УН15

Мікросхема К174ун15 є здвоєним підсилювачем потужності ЗЧ номінальною вихідною потужністю до 2×6 Вт на навантаженні опором 2Ом. Кожен підсилювач має вбудований вузол теплового захисту і захисту від замикань вихідного ланцюга. Мікросхема призначена для використання в переносній, автомобільній і стаціонарній побутовій стереофонічній радіоапаратурі. Наявність двох підсилювачів в єдиному корпусі дозволяє в монофонічній апаратурі ЗЧ підвищити вихідну потужність в два рази без зміни живлячої напруги шляхом включення їх по мостовій схемі.

Малюнок 1.8 — Конструкційні параметри мікросхеми К174УН15

Таблиця 1.7 Основних електричних параметрів мікросхем К174УН15 при Uпит. ном = 15 В і Токр.ср.=+25°с

Таблиця 1.8 Гранично допустимі режими експлуатації мікросхеми К174УН15

Мікросхема К174УН19

Приведена мікросхема є підсилювачем потужності звукової частоти, який має номінальну вихідну потужність 15 Вт на навантаженні опором 4 Ом і призначена для застосування у високоякісній звуковідтворюючій і телевізійній апаратурі. Вона стійка до теплових перевантажень і не виходить з ладу при замиканнях в ланцюзі навантаження. Дана деталь виготовлена в пластмасовому корпусі 1501.5−1 з плоскими жорсткими виводами і забезпечена теплообмінним мідним фланцем з отвором для монтажу на тепловідводі. Креслення корпусу представлене на малюнку 1.4. Маса приладу не більше 2 грам.

Малюнок 1.9 — Конструкційні параметри мікросхеми К174УН19

Таблиця 1.9 Основних електричних параметрів (мікросхема К174УН19, мікросхема К174УН15 при Uпит. ном = 2×15B і Токр. ср = 25 °C)

Таблиця 1.10 Гранично допустимі режими експлуатації мікросхеми К174УН19

Діоди

У даному приладі використовуються діоди КД202А і КД226А.

Діоди типу КД226А і КД202А — кремнієві дифузійні, випрямні діоди, призначений для роботи в приймальнею, підсилювальною і іншій радіоелектронній апаратурі при частоті живлячої напруги до 50кГц. Діоди цих типів відповідають технічним умовам АО.336.543 ТУ.

Таблиця 1.11- Основні електричні параметри діодів КД202А і КД226А

Малюнок 1.10-Габаритні розміри діода Кд202а Малюнок 1.11-Габаритні розміри діода КД226А

Резистори

Резистори типу С2−23, які будуть використані для установки на ДП в моїй схемі - резистори загального призначення, з металодіелектричним провідним шаром. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, змінного і імпульсного струмів як елементи навісного монтажу.

Малюнок 1.12 — Конструктивні параметри і спосіб установки резисторів

Таблиця 1.12- Граничні експлуатаційні параметри резисторів С2−23

Таблиця 1.13-Конструктивні параметри резисторів С2−23

Конденсатори

Конденсатори типу К50−35 та К50−38 — конденсатори алюмінієві оксидно-діелектричні загального призначення з однонаправленими дротяними виводами. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, пульсуючого і імпульсного струму. Положення анода маркірується знаком «+» на корпусі конденсатора або анодний вивід робиться на 3−5 мм коротше, ніж катодний.

Таблиця 1.14 Граничних експлуатаційних даних конденсаторів

Малюнок 1.13 — Конструктивні параметри конденсатора типу К50−35

Таблиця 1.15- Технічні дані електролітичного конденсатора К50−35

Таблиця 1.16- Технічні дані електролітичного конденсатору К50−38

Конденсатори типу К10−17 — це конденсатори з неорганічним діелектриком, низьковольтні, керамічні монолітні. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, змінного і імпульсного струму. Конструктивно виконані ізольованими з однонаправленими виводами.

Малюнок 1.14 — Конструктивні параметри конденсатора К10−17

Таблиця 1.17-Технічні дані конденсатора К10−17

Таблиця 1.18 — Технічні дані конденсатора К10−17

Вилка

В даній розробці вилка нам необхідна для з'єднання з блоком живлення, звуковою картою комп’ютера та для з'єднання ЕРЕ на ДП. Вибираємо вилку 644 631. У даного виду вилки може бути до 12 роз'ємів.

Таблиця 1.19 Основні параметри вилки 644 631

Малюнок 1.15 — Конструкційні параметри вилки 644 631

Проаналізувавши технічні дані елементної бази, можна зробити наступні виводи:

ь акустична система заснована на вітчизняній елементній базі з максимальним використанням мікросхем;

ь навісні елементи встановлюються однаково, тому спеціальних мерів по формуванню виводів проводити не передбачається;

ь інтегральні схеми знаходяться в прямокутних корпусах, що дозволяє автоматизувати процес установки мікросхем на друкарську плату;

ь мікросхеми К174ун15 і К174ун19 необхідно розташовувати на максимально можливому видаленні від теплочутливих елементів, оскільки відбувається розсіювання великої кількості теплової енергії;

ь для полегшення трасування друкарської плати, мікросхеми необхідно мати в своєму розпорядженні групу (максимальна завантаженість друкарської плати провідниками буде усередині функціонального блоку);

ь вибрані елементи мають достатньо високу надійність, що дозволяє спроектувати пристрій, що має великий ресурс роботи;

ь елементна база комплектувалася по ознаках відповідності технічних характеристик експлуатаційних вимог;

ь інтервал робочих температур елементної бази, допустима величина відносної вологості повітря, атмосферного тиску, вібрації, одиночних ударів і лінійних навантажень дозволяє спроектувати пристрій, що працює за заданих в технічному завданні умов експлуатації.

В результаті проаналізованих фактів і вимог до ЕРЕ, вибираємо двосторонню друковану плату. Трасування з'єднань на платі проводитимемо з обох сторін плати. Дивлячись на те, що відстань між виводами мікросхем складає 2,5 мм, необхідно прийняти крок координатної сітки рівний 1,25 мм. По пред’явленню вимог мінімальних розмірів до акустичної системи вибираємо 3 клас точності для друкарської плати підсилювача. Для уникнення паразитних наведень необхідно прокладати, в першу чергу, провідники ланцюгів живлення і землі, а тільки потім сигнальні провідники.

1.5 Аналіз конструкторсько-технологічних аналогів

Мета цього пункту полягає в необхідності порівняння розроблювального виробу з аналогічним, подібним по функціям і призначенням, виявленні недоліків та запропонувати шляхи їхнього усунення.

Конструкторсько-технологічнім аналогом, схожого по виконуваним функціям мною була обрана акустична система LD112, за призначенням який збігається із призначенням розроблювальної мною акустичною системи на активних компонентах. У деру чергу відмінність цих систем полягає в розходженні їх схемотехніки, що призводить до розходження їхніх подальших конструкцій. У обох системах передбачений двохполосний еквалайзер, регулятор рівня гучності.

Вибрана акустична система має наступні параметри:

ь Двухполосна акустична система

ь Потужність: 200 Вт ь Діапазон частот: 60Гц — 18кгц ь Чутливість: 1 Вт/1м — 95дб ь Максимальній тиск SPL: 122 дб ь Опір: 8 Ом ь Розмір ПП: 250*175

Технологічній процес виробництва проектованого блоку є більш пробачимо стосовно техпроцесу для LD112. Це виникає за рахунок різниці між компонентами, які встановлюються на ДП Проаналізував, можна сказати, що в LD112 приблизно на 30−35 елементів більше чим у розроблювальної акустичної системи. Даний факт затрудняє трасування друкованої плати. Це призвело до того, що LD112 збирається на платі, тим самим збільшується її розмір. Так само в розроблювальному пристрої велика кількість елементів і є присутні кілька мікросхем із кроком виводів 2,5 мм. Технологічність виробу LD 112 оцінюється нижче, ніж дана акустична система на активних компонентах.

1.6 Аналіз технології виготовлення

Акустична система, яка проектується в даній роботі є відносно середнім по складності пристроєм, як з конструкторської, так і з технологічної точки зору.

З пункту 1.4 витікає, що акустична система має наступну елементну базу:

ь резистори з осьовими виводами…59шт.;

ь діоди з осьовими виводами…2шт.;

ь конденсатори з аксіальними виводами…49шт.;

ь мікросхеми в корпусі DIP (16pin)…2шт.;

ь мікросхемa в корпусі DIP (14pin)…1шт ь мікросхема в корпусі TO220(5pin)…1шт.;

ь мікросхема в корпусі SIP (11pin)…1шт.;

ь роз'єми…6шт.

Виходячи з вживаної елементної бази, намічаємо, що у виробі застосовуватиметься двостороння друкована плата, що виготовляється комбінованим позитивним способом. Враховуючи порівняно невелику потребу ринку у виробі, що розробляється, недоцільно організовувати окреме підприємство по виробництву макету. Оптимальним варіантом є виробництво виробу на багатономенклатурному підприємстві з достатньо високим рівнем гнучкості виробництва. Тип виробництва — багатономенклатурний, серійний.

Обсяг виробництва нашого прибору становить близько 10 000 штук у рік, тому установку навісних елементів доцільніше робити вручну. Збільшиті продуктивність ручної зборки можна за рахунок модернізації робочого місця: застосування світломонтажних столів, спеціального інструмента й інших допоміжних пристроїв і пристосувань. Аналіз підприємства, на якому передбачається випуск виробу, показує, що на ньому є устаткування і відпрацьовані наступні техпроцеси:

1) хімічний метод виготовлення друкарських плат;

2) комплексна підготовка навісних елементів до монтажу;

3) ручна установка навісних елементів на друкарську плату;

4) програмована збірка на світомонтажних столах;

5) паяння хвилею припою;

6) паяння за допомогою станції ERSA VAC 6500.

При застосуванні типових технологічних процесів розроблених на даному підприємстві, дозволяє нам понизити собівартість виробу при його невеликих об'ємах виробництва. Також на підприємства не освоєна автоматична установка навісних елементів. Отже, необхідне на підприємстві технології автоматичної установки навісних елементів. Докладний опис технологічних процесів установки ЕРЕ з осьовими виводами і підборка устаткування буде в технологічному розділі дипломного проекту.

1.7 Розробка додаткових технічних вимог до конструкції ЕА

На основі вивчення принципу роботи прибудую, аналізу елементної бази, аналізу ТЗ, аналогічного прибудую та аналізу вимог до виробництва можна сформувати додаткові умови, які необхідно врахувати при розробці конструкції та технології виробництва виробу:

ь Тип друкарської плати акустичної системи — двостороння;

ь Клас точності друкарської плати акустичної системи — 3;

ь Крок координатної сітки друкарських плат 1,25 мм;

ь Варіант трасування провідників — спочатку потенційні, потім інформаційні;

ь Вихідні ланцюги розміщати якнайдалі від вхідних;

ь Необхідно передбачити отвори для подальшого кріплення друкарської плати за допомогою гвинтового з'єднання;

ь Необхідно передбачити захист блоку від вологи у вигляді полімерного (лакофарбового) покриття;

ь Попередній розмір друкарської плати акустичної системи — 150×200 мм;

2. РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ АКУСТИЧНОЇ СИСТЕМИ

2.1 Вибір типу і розмірів друкованої плати

Друкована плата (ДП) є основним конструктивним елементом ЕА [ 4 ]. Їх застосовують в якості несущої конструкції та для електричних з'єднань. Друкована плата є ізоляційною основою, що містить необхідні отвори, контактні майданчики і друковані провідники, що забезпечують електричне і механічне з'єднання навісних елементів.

З причини середньої складності електричної схеми для виготовлення активної акустичної системи найбільш прийнятним буде використання двосторонньої ДП .

За точністю виконання елементів конструкції друкарські плати діляться на чотири класи точності. Друковані плати 1 і 2 класів точності найбільш прості у виконання, надійні в експлуатації і мають мінімальну вартість. Друковані плати 3 і 4 класів точності вимагають використання високоякісних матеріалів, інструменту, устаткування, обмеження габаритних розмірів і так далі. Друковані плати ЕА рекомендується виготовляти по 2 і 3 класам точності. У зв’язку з цим ДП, що розробляється, виготовлятиметься по третьому класу точності.

Для визначення площі конструкції ПП, що розробляється, скористаємося формулою:

(2.1)

де — настановна площа i-го навісного елементу (таблицю 2.1);

— коефіцієнт втрат площі (=1…3), приймаємо =3.

Таблиця 2.1-Настановні параметри елементів

З формули (2.1) отримуємо для плати підсилювачів потужності:

Оскільки акустична система є нестандартним виробом і плати уніфікованих типових конструкцій (Е1,Е2,Е3,Е4 і так далі) мають площі що у багато разів перевершують розраховану раніше, то для конструкції ДП, що розробляється, візьмемо плату довільних розмірів (з дотриманням вимог: ГОСТ 10 317–79 обумовлює співвідношення сторін ДП не більше 3:1, причому форма ДП тільки прямокутна). Враховуючи велику кількість монтажних отворів під дротяний монтаж друкарську плату необхідно вибирати із запасом.

Згідно вищевикладеному вибираємо ДП розмірами 125×195мм.

Як діелектрична основа для виготовлення ДП широкого поширення набули шаруваті діелектрики, що складаються з наповнювача і речовини (синтетичної смоли), що пов’язує, керамічні і металеві (з поверхневим діелектричним шаром) матеріали. Оскільки ДП при експлуатації не піддаватиметься високим механічним і тепловим діям, діям агресивних середовищ, то згідно ГОСТ 10 316–78 вибираємо найбільш поширений матеріал склотекстоліт СТФ-1−35−1,5.

Розміщення НЕ на ДП здійснюємо відповідно до ОСТ.4ГО.010.030 і ОСТ.4ГО.010.009. При компоновці ДП необхідно забезпечити відповідно до ГОСТ 23 751–79 раціональне розміщення навісних елементів з урахуванням електричних зв’язків і теплового режиму із забезпеченням мінімальних значень довжин зв’язків, кількості переходів друкарських провідників з шару в шар, паразитних зв’язків між елементами, по можливості рівномірний розподіл мас навісних елементів по поверхні.

При розташуванні ІС, ЕРЕ на друкарській платі необхідно передбачати забезпечення основних технологічних вимог, що пред’являється до апаратури (автоматизовану збірку, паяння, контроль, ремонтопридатність).

В процесі конструювання ДП виконуються наступні розрахунки:

ь конструктивно-технологічний;

ь розрахунок по постійному струму;

ь розрахунок по змінному струму.

2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати

Для визначення основних параметрів друкованого монтажу виконується конструктивно-технологічний розрахунок друкарського монтажу, який проводиться з урахуванням виробничих погрішностей малюнка провідних елементів, фотошаблону, базування, свердлення і таке інше. При виконанні розрахунку слід керуватися [ ].

Основні умовні позначення, використовувані при розрахунку, і графічне зображення ДП приведені на малюнку 2.1.

Малюнок-2.1 Графічне зображення ДП

Hn — товщина ДП;

Hnc — загальна сумарна товщина ДП;

Hм — товщина підстави ДП;

hn — товщина фольги;

h — товщина провідного малюнка;

l — відстань між центрами елементів;

t — ширина друкарського провідника;

Q — відстань від краю плати до елементів провідного малюнка;

d — діаметр отвору;

b — ширина гарантійного поясу;

D — діаметр контактної площі;

S — відстань між краями сусідніх елементів провідного малюнка.

Мінімальний діаметр перехідного отвору

(2.2)

де Нп — товщина друкарської плати мм;

I — відношення діаметру металізованого отвору до товщини ПП (таблиця 2.2)

Таблиця 2.2-Номінальні значення основних параметрів друкарського монтажу для вузьких місць

.

Приймаємо діаметр перехідного отвору 0,5 мм.

Мінімальне значення діаметру монтажного отвору визначаємо із співвідношення:

(2.3)

де dВ — максимальне значення діаметру виведення навісного елементу;

dНО — нижнє граничне відхилення номінального значення диметра отвори (таблиця 2.3);

— зазор між виводами і монтажним отвором для паяння (=0,1−0,4 мм).

Таблиця 2.3- Допустимі погрішності виконання конструктивних елементів

Для dВ =0,5 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО1 0,5 + 0,2 + 0,1 = 0,8 мм Для dВ =0,6 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО2 0,6 + 0,2 + 0,1 = 0,9 мм Для dВ =0,7 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО3 0,7 + 0,1 + 0,1 = 0,9 мм Для dВ =0,75 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО4 0,75 + 0,2 + 0,1 = 1,05 мм Для dВ =0,8 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО5 0,8 + 0,2+ 0,1 =1,1 мм Для dВ=0,9 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО6 0,9+ 0,2 + 0,1 = 1,2 мм Для dВ=1,1 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО7 1,1+ 0,2 + 0,1 = 1,4 мм Для dВ=1,3 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

dМО8 1,3+ 0,2 + 0,1 = 1,6 мм Приймаємо діаметри монтажних отворів

dМО1 = dМО2 = dМО3 = 0,9 мм;

dМО4 = 1,1 мм;

dМО5 = dМО6 = dМО7 = 1,4 мм;

dМО8 = 1,8 мм.

Номінальне значення ширини провідника t розраховуємо по формулі:

(2.4)

де tHO — нижнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення ширини провідника :

t1 = 0,5 + 0,05 = 0,55 мм

Приймаємо номінальне значення ширини провідника t1=0,55 мм.

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка визначаємо по формулі:

S = Sм + tво (2.5)

де tво — верхнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка :

S1 = 0.5 + 0,05 = 0,55 мм Приймаємо номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка S1 = 0,55 мм.

Розрахунок мінімального діаметру контактного майданчика вироблюваний по формулі:

(2.6)

де dBO — верхнє граничне відхилення діаметру отвору (таблиця 2.3).

Dпо = 0,5 + 0,05 + 2*0,05 +0,05+(0,12 + 0,32 + 0,052)½ = 1 мм

D1 = D2 = D3 = 0,9 + 0,05 + 2 * 0,05 +0,05+(0,12 + 0,32 + 0,052)½ =1,4 мм

D4= 1,1 + 0,05 + 2 * 0,05 +0,05+(0,12 + 0,32 + 0,052)½ = 1,6 мм

D5 = D6 = D7 = 1,4 + 0,1 + 2 * 0,05 + 0,05 + (0,12 + 0,32 + 0,052)½ = 2,0 мм

D8 = 1,8 + 0,1 + 2 * 0,05 + 0,15 +(0,12 + 0,32 + 0,052)½ = 2,4 мм Приймаємо Dпо=1мм, D1=D2=D3=1,4 мм, D4=1,6 мм, D5=D6=D7=2,0 мм, D8= 2,4 мм.

Розрахунок мінімальної відстані для прокладки n — го кількості провідників між контактними майданчиками проводимо тільки для елементів між виводами яких проходять друкарські провідники:

l=D+t*n+S*(n+1)+д1, (2.7)

де n — кількість провідників, n = 1;

дl — позиційний допуск розташування провідника (таблиця 2.2).

l1=1,4+0,55+0,55*(1+1)+0,05=3,1 мм

l2=1,6+0,55+0,55*(1+1)+0,05=3,3 мм

l3=2,0+0,55+0,55*(1+1)+0,05=3,7 мм

l4=2,4+0,55+0,55*(1+1)+0,05=4,1 мм З вищенаведеного розрахунку можна зробити виcновок, що відстань між двома сусідніми контактними майданчиками, призначеними для установки мікросхеми DA1 і DA2 недостатньо для прокладки одного провідника з урахуванням обмежень, що пред’являються до друкованного монтажу, тому контактні майданчики у разі потреби можна підрізати із збереженням ширини гарантійного поясочка b=0,05 мм.

Аналізуючи приведений вище конструктивно — технологічний розрахунок, можна виділити основні параметри друкарського монтажу:

1) діаметр перехідного отвору 0,5 мм;

2) діаметр монтажного отвору: 0,9 мм, 1,1 мм, 1,4 мм, 1,8 мм;

3) номінальна ширина провідника 0,55 мм;

4) номінальна відстань між сусідніми елементами провідного малюнка 0,55 мм;

5) діаметр контактного майданчика: 1 мм, 1,4 мм, 1,6 мм, 2 мм і 2,4 мм;

Набутих значень параметрів друкарських елементів можуть коректуватися у бік збільшення на підставі електричного розрахунку тих же елементів по постійному струму, який приведений в підрозділі 2.3.

2.3 Розрахунок по постійному струму

Найбільш важливими електричними властивостями друкарських плат по постійному струму є перевантажувальна здатність провідників по струму, опір ізоляції і діелектрична міцність підстави друкарської плати.

Розрахунок проводимо для якнайгіршого випадку, тобто при максимальній споживаній потужності для двосторонньої друкарської плати виконаній по третьому класу точності і напруги живлення 15 В.

Необхідна ширина друкаованого провідника сигнального ланцюга:

(2.8)

де с — питомий опір провідника, Ом мм2/м (для мідної

катаної фольги с складає 0,017 Ом мм2/м);

I — струм, А (I = 0,1 А);

l — довга провідника, м;

Uз.пу. — запас перешкодостійкості елементів (Uз.пу. = 0,4 В);

hф — товщина фольги (hф = 0,035 мм).

При максимально можливій довжині траси 125+195=320 мм ширина провідника сигнального ланцюга повинна бути:

З технологічних міркувань ширину провідників сигнальних ланцюгів приймаємо 0,55 мм.

Необхідна ширина друкованих провідників шин живлення і землі:

(2.9)

де с — питомий опір провідника, Ом * мм2 / м (для мідної катаної фольги с складає 0,017 Ом * мм2 / м);

I — струм, А ;

l — довга провідника, м;

Uп. — максимальне падіння напруги на шині живлення (0,4 В);

hф — товщина фольги (hф = 0,035 мм).

Струм шини живлення:

I = P/U (2.10)

де Р — споживана потужність;

U — напруга живлення, В;

U = 15 B.

Споживана потужність:

Р=Рвих/, (2.11)

де Рвих — вихідна потужність підсилювачів, Вт;

Рвих =15+4=29 Вт;

— ккд підсилювачів;

= 60%.

Р = 29/60% = 48 Вт

І = 48/15 = 3,2 А

При максимально можливій довжині траси мм ширина провідника сигнального ланцюга повинна бути:

Приймаємо ширину провідників шин живлення і землі 1,5 мм, для вихідних ланцюгів підсилювачів потужності (Рвих=15Вт і Рвих=6Вт) — 1,0 мм.

Кількість контактів nк з'єднувача прямого зчленування, що здійснюють підведення напруги живлення і землі:

nП=Sп.з./Sк., (2.12)

де Sп. зперетин друкарського провідника шини живлення, мм2;

Sк — площа контакту контактної пари.

(2.13)

(2.14)

nП = 0,052 / 1,53 = 0,033

Приймаємо nП =1.

Мінімальна відстань між провідниками для плат без захисного лакового покриття залежить від напруги пробою і тиску навколишнього середовища. Зазор між провідниками для нормального атмосферного тиску вибираємо на підставі даних приведених в [ 6 ] залежно від різниці напруги між сусідніми провідниками. Для друкарської плати, що розробляється, мінімальний зазор складає 0,25 мм для всіх провідників. Отриманий для конкретної різниці потенціалів зазор між провідниками може бути збільшений, якщо опір витоку між провідниками перевищить допустиме значення, обчислене на основі аналізу принципової схеми, що реалізовується на платі .

Розрізняють два види електропровідності діелектриків: поверхневу і об'ємну. Поверхневий опір ізоляції паралельних друкарських провідників обумовлюється наявністю питомого поверхневого опору діелектрика плати:

(2.15)

де — зазор між провідниками;

— найбільша довжина сумісного проходження провідників.

Ом

Між провідниками, розташованими на поверхні друкованої плати, існують обидва види електропровідності. Опір ізоляції паралельних провідників приблизно обчислюють як

(2.16)

де — об'ємний опір ізоляції між провідниками протилежних шарів ДДП. Оскільки плата, що розробляється, є двосторонньою, тому приймаємо .

Отримані результати розрахунку по постійному струму показують правильність прийнятих в попередньому розділі значень конструктивно-технологічних показників, а також показують можливість нормального функціонування проектованого виробу з погляду здатності навантаження провідників по струму, високий опір ізоляції і високій діелектричній міцності основи ДП.

2.4 Розрахунок по змінному струму

При передачі по друкованим елементам плати високочастотних імпульсних сигналів із-за наявності індуктивного опору провідників, взаємної індуктивності і ємкості, опори витоку між провідниками сигнали спотворюються, з’являються перехресні перешкоди. Розрахунок по змінному струму дозволяє уточнити максимальну довжину одиночного провідника, максимальну довжину сумісного проходження поряд розташованих провідників, зазори між провідниками.