Блок контролю та управління пристрою безперебійного живлення ПБЖ-12

ТІ СНУ Факультет КІ Кафедра ЕА Спеціальність 7.091.003 «Електрона побутова апаратура»

ЗАВДАННЯ

на дипломний проект студента

Данілейченко Катерини В’ячеславівни

1. Тема проекту (роботи). Блок контролю та управління пристрою безперебійного живлення ПБЖ-12.

2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 20.06.2010

3. Вихідні дані до проекту. Схема електрична принципова; перелік елементів; технічне завдання на розробку; кліматичні умови експлуатації блоку (температура повітря від +5 до +60^оС, вологість повітря до 95%, атмосферний тиск від 84 до 107кПа); габаритні розміри друкованої плати 280×82,5; напруга живлення 15 В; надійність після 10 тис. годин роботи — не менше 0,9.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що підлягають розбору)

1. Аналіз технічного завдання;

2. Розробка конструкції блока;

3. Розробка технології виготовлення;

4. Автоматизоване проектування блоку.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень).

Схема електрична принципова (формат А3); креслення друкованої плати (формат А1); складальне креслення (формат А1); технологічний процес виготовлення блоку (плакат, формат А1); структурна схема пристрою безперебійного живлення (формат А3).

6. Дата видачі завдання 20.04.2010 р.

Реферат

Пояснювальна записка: __стр., 37 рис., 45 табл., 2 додатки.

Об'єктом розробки є блок контролю та управління пристрою безперервного живлення, із заданою вихідною напругою, електричною схемою принциповою, діапазоном робочих температур та тиском.

Мета роботи — розробити конструкцію та технологію виготовлення виробу на підставі схеми електричної принципової та згідно з технічним завданням.

У процесі роботи були виконані аналіз вимог технічного завдання, електричної схеми, елементної бази, конструкторсько-технологічних аналогів, розроблені додаткові технічні вимоги до конструкції виробу, виконані конструкторські розрахунки друкованого монтажу та розрахунки надійності й теплового режиму блоку, вибрано та розроблено технологія виготовлення, виконане автоматизоване проектування блоку, отримана конструкторська документація у відповідності до завдання.

ПРИСТРІЙ, БЕЗПЕРЕБІЙНЕ ЖИВЛЕННЯ, БЛОК, ЕЛЕМЕНТНА БАЗА, СТРУМ, ТРАСУВАННЯ, НАДІЙНІСТЬ, ДРУКОВАНА ПЛАТА, АВТОМАТИЗАЦІЯ, ТЕХНОЛОГІЯ

Зміст

• Реферат
• Перелік умовних позначень і скорочень
• Введення
• 1. Аналіз технічного завдання
• 1.1 Аналіз призначення
• 1.2 Аналіз електричної схеми та принципу роботи пристрою
• 1.3 Аналіз умов експлуатації
• 1.4 Аналіз елементної бази
• 1.5 Аналіз порівнянних конструкцій
• 1.6 Технічні вимоги на розроблення
• 1.7 Аналіз технології виготовлення
• 2. Розробка друкованої плати
• 2.1 Вибір типу та розмірів друкованої плати
• 2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати
• 2.3 Постановка завдання трасування друкованої плати
• 2.4 Розрахунок по постійному струму
• 2.5 Розрахунок по змінному струму
• 2.6 Перевірочний розрахунок теплового режиму
• 2.7 Розрахунок надійності блоку
• 3. Розробка технології виготовлення блоку
• 3.1 Структура технології виготовлення блоку
• 3.2 Вибір методу виготовлення друкованої плати
• 3.2.1 Підготовчі операції
• 3.2.2 Метод отримання провідного малюнка
• 3.3 Поверхневий монтаж
• 3.3.1 Нанесення паяльної пасти
• 3.3.2 Установка SMD компонентів
• 3.3.3 Оплавлення паяльної пасти
• 3.4 Установка навісних елементів
• 3.4.1 Підготовка навісних елементів до монтажу
• 3.4.2 Напівавтоматична установка навісних елементів з використанням світломонтажного столу
• 3.5 Пайка контактних з'єднань. Функціональний контроль і покриття лаком
• 3.6. Аналіз технологічності виробу
• 4. Автоматизація проектування
• 4.1 Методика автоматизованого проектування блоків елементів
• 4.1.1 Структура и функції САПР PCAD+IMPULS
• 4.1.2 Конфігурація САПР PCAD+IMPULS
• 4.1.3Основні етапи проектування блоків елементів
• 4.1.4 Технічні засоби САПР колективного використання
• 4.2 Графічне введення опису схеми електричної принципової
• Висновок
• Література
• Додаток а
• Додаток Б

Перелік умовних позначень і скорочень

ДП — друкована плата;

БКУ — блок контролю та управління;

ПБЖ — пристрій безперервного живлення;

БСл — силовий блок;

БІд — блок індикації;

ЕРЕ — електрорадіо елементи;

ІМС — інтегральні мікросхеми;

ККД — коефіцієнт корисної дії;

ТЗ — технічне завдання;

КПМ (SMD) — компоненти поверхневого монтажу;

АЦП — аналого-цифровий перетворювач;

ЦАП — цифро аналоговий перетворювач;

МК — мікроконтролер;

ОДП — односторонні друковані плати;

ДДП — двосторонні друковані плати;

БДП — багатошарові друковані плати;

ТЕЗ — типовий елемент заміни;

НЕ — навісні елементи;

ОВ — осьові виводи;

АВ — аксіальні виводи;

СМС — світломонтажний стіл;

ПЕ — перелік елементів;

Е3 — схема електрична принципова;

СП — специфікація блоків елементів.

Введення

Для забезпечення високої якості електропостачання, захисту електронної апаратури від виходу з ладу, а також щоб забезпечити безперебійне живлення були спеціально розроблені і створені пристрої безперебійного живлення.

За своїми технічними даними ПБЖ працює і як акумулятор. Під час своєї роботи ПБЖ накопичує електроенергію. У разі відсутності подачі струму із зовнішніх електромереж пристрій здатний автономно забезпечити протягом певного часу (до повної розрядки) безперебійне живлення для роботи техніки.

Більшість сучасних ПБЖ, крім свого основного завдання — забезпечувати безперебійне живлення, — ще й фільтрують напругу, що надходить на навантаження (виступають як фільтр мережевих перешкод), і стабілізують напругу (виступають як стабілізатор напруги)

Функціонально ПБЖ містить такі вузли, як блок силовий, блок контролю і управління, блок індикації, вхідний і вихідний фільтри, акумуляторна батарея, вентилятори.

Результатом виконання дипломного проекту є розробка конструкції і технології виготовлення блоку контролю та управління відповідно до технічного завдання.

1. Аналіз технічного завдання

1.1 Аналіз призначення

Пристрій безперебійного живлення (ПБЖ) — це пристрій, що подає високоякісне електроживлення без перерв.

ПБЖ не тільки захищають від усіх видів перебоїв в подачі енергії. Вони також здатні фільтрувати різноманітні перешкоди і стрибки в електромережі, забезпечуючи таким чином рівну, безперебійну подачу енергії для чутливого обладнання.

Функціонально ПБЖ містить наступні вузли:

блок силовий;

блок контролю і управління БКУ-5;

блок індикації БІд-49;

вхідний і вихідний фільтри;

акумуляторна батарея;

вентилятори.

Рисунок 1.1 — Структурна схема ПБЖ

Напруга мережі (220 ± 44) В частою (50 ± 2) Гц через вхідний з'єднувач Х1, фільтр Z1 і комутатор вхідної напруги (реле К1) надходить на БСл-1, який перетворює цю змінну напруги в змінну напругу (220 ± 6) V частотою (50 ± 0,15) Гц, що надходить через фільтр Z2 і вихідні з'єднувачі X2 — Х6 на вихід ПБЖ. При відсутності або виході за допустимі межі змінної напруги мережі ПБЖ переключається на роботу від акумуляторної батареї, при цьому на його виході формується змінна напруга (220 ± 6) В частотою (50 ± 0,15) Гц. БСл-1 також контролює працездатність вентиляторів охолодження.

Метою даного дипломного проекту є розробка модуля контролю та управління ПБЖ. БКУ-5 контролює роботу БСл-1, аналізуючи сигнали, що надходять від нього, управляє ним і БІд-49 в відповідності з внутрішньою програмою, формує, передає і отримує інформацію від ПЕОМ по інтерфейсу RS-232, а також виробляє додаткові напруги живлення для БСл — 1.

На БІд-49 розташовані 11 індикаторів, які по команді від БКУ-5 сигналізують про режим роботи ПБЖ, кнопка ПУСК, за допомогою якої здійснюється вмикання і вимикання останнього, і датчик температури.

БКУ, що розроблюється, є частиною пристрою ПБЖ, призначеного для використання в житлових і закритих виробничих приміщеннях, що опалюються, як стаціонарна апаратура.

1.2 Аналіз електричної схеми та принципу роботи пристрою

Функціонально БКУ-5, у відповідності з рисунком 1.2, містить наступні вузли:

Комутатор (К), призначений для комутації контрольних сигналів від БСл-1 через вхідні узгоджувачі (ВС) або підсилювач первинного перетворювача температури (УДТ) до входу АЦП;

ВС, призначені для узгодження рівнів вхідних контрольних сигналів із входами комутатора;

УДТ, служить для посилення контрольного сигналу від датчика температури, що надходить з БСл-1 на комутатор;

Буферний підсилювач (БУ1), що здійснює узгодження сигналу від датчика температури з АЦП;

Буферний підсилювач (БУ2), що здійснює узгодження виходу комутатора з АЦП;

АЦП, служить для перетворення сигналів напруги постійного струму з виходу комутатора в цифровий код;

ЦАП, призначений для перетворення цифрового двійкового коду з виходу АЦП в аналоговий сигнал;

Підсилювач (Ус), призначений для посилення аналогового сигналу з виходу ЦАП;

Мікроконтролер (МК1), призначений для зв’язку та обміну інформацією з блоками БСл-1, БІд-49, другим мікроконтролером (МК2), через вузол зв’язку (ВСв);

Мікроконтролер (МК2), призначений для зв’язку та обміну інформацією з першим мікроконтролером (МК1), АЦП, ЦАП, комутатором, компаратора і регістрами (RG2-RG4);

Компаратор (КОМП), призначений для формування сигналу ICP на МК2 при переході синусоїди вхідного напруги через нуль;

Елементи гальванічної розв’язки (ЭР1, ЭР2), що забезпечують гальванічну розв’язку вхідних і вихідних ланцюгів вузла зв’язку (УСв);

Вузол зв’язку (УСв), що здійснює зв’язок між ПЕОМ та МК1;

Перетворювач напруги, що формує постійні напруги +5 V, +15 V і мінус 15 V (допоміжні джерела) для живлення блоків БКУ-5, БСл-1 і БІд-49.

Рисунок 1.2 — Схема електрична структурна БКУ-5

1.3 Аналіз умов експлуатації

Характер та інтенсивність впливу кліматичних (меншою мірою), механічних і радіаційних (більшою мірою) чинників залежать від тактики використання та об'єкта установки електронного апарату (ЕА). Класифікуючи ЕА за цією ознакою, їх можна розділити на стаціонарні і ті, що транспортуються. Кожна з груп у свою чергу містить ЕА різних класів і призначень.

Стаціонарні ЕА — це пристрої, що експлуатуються в опалювальних і не опалювальних приміщеннях, бункерах, підвалах, приміщеннях з підвищеною вологістю, на відкритому повітрі, у виробничих цехах.

ЕА, що транспортуються — це пристрої, що встановлюються й експлуатовані на автомобілях і автопричепах, залізничному і гусеничному транспорті, морські та бортові ЕА. Специфіка робіт цього виду машин зумовлює підвищений вплив механічних чинників, в основному вібрації і ударів.

За сукупністю значень кліматичних, механічних і радіаційних факторів стаціонарні і транспортуються ЕА діляться на наступні групи:

група 1 — стаціонарні ЕА і системи, що працюють в опалювальних наземних і підземних спорудах;

група 2 — стаціонарні ЕА і системи, що працюють на відкритому повітрі або в не опалювальних наземних і підземних спорудах;

група 3 — ЕА, що транспортуються, встановлені в автомобілях, мотоциклах, в сільськогосподарській, дорожньої і будівельної техніки і працюючі на ходу;

група 4 — ЕА, що транспортуються, встановлені у внутрішніх приміщеннях річкових судів і працюють на ходу;

група 5 — ЕА, що транспортуються, встановлені в рухомих залізничних об'єктах і працюють на ходу;

група 6 — ЕА, що транспортуються, призначені для тривалого перенесення людьми на відкритому повітрі або в не опалювальних приміщеннях і підземних спорудах, які працюють і не працюють на ходу;

група 7 — портативні ЕА, призначені для тривалої перенесення людьми на відкритому повітрі або в опалювальних наземних і підземних спорудах, що працюють на ходу.

Розроблюваний блок входить в пристрій — пристрій безперебійного живлення, що за сукупністю значень кліматичних і радіаційних факторів відноситься до першої групи, до класу стаціонарна електронна апаратура, що працює в опалювальних наземних і підземних спорудах.

Відповідно до стандарту ЕА першої групи повинні витримувати такі нормативні кліматичні та механічні дії:

Таблиця 1.1 — Кліматичні та механічні фактори умов експлуатації

Слід окремо виділити міцність проектованого виробу при транспортуванні, коли ЕА відчувають найбільш сильні механічні дії. Фактори, що впливають, зведемо в таблицю 1.2 Нормальне функціонування виробу після транспортування забезпечується конструкцією і якістю упаковки.

За сукупністю значень кліматичних, механічних і радіаційних факторів, пристрій, що розробляється, відноситься до 1-й групі виконання.

Таблиця 1.2 — Умови транспортування (в упакованому вигляді)

Аналіз даних, наведених у таблиці 1.2 і умов експлуатації, дозволяє зробити висновок, що немає необхідності у виборі і розрахунку системи амортизації у складі блоку або всього блоку через невеликі механічні впливи; не потрібна теплоізоляція і забезпечення герметичності блоку від впливів кліматичних факторів.

Для захисту від кліматичних дій бажано покрити друковану плату (ДП) вологозахисним матеріалом.

1.4 Аналіз елементної бази

Далі будуть розглянуті електричні і конструктивні параметри, а так само допустимі умови експлуатації застосовуваних у конструкції ТЕЗ елементів. Порівняння їх з умовами експлуатації (розділ 1.3) дозволить зробити висновок про можливість застосування саме цих варіантів конструкції ЕРЕ та їх типів. До складу розроблюваного пристрою входять такі елементи: конденсатори, резистори, термістори, мікросхеми, дросель, діоди, транзистори, вилки, стабілітрони, звуковий випромінювач і резонатор.

Далі будуть розглянуті електричні і конструктивні параметри, а так само допустимі умови експлуатації застосовуваних у конструкції ТЕЗ елементів.

Електричні та експлуатаційні параметри зведені в таблиці.

Конденсатори MKT 370−63 та MKP 380 — 100.

Рисунок 1.3 — Конденсатори MKT 370−63 та MKP 380 — 100

Таблиця 1.3 — Геометричні розміри конденсаторів MKT 370−63 та MKP 380 — 100

Таблиця 1.4 — Технічні характеристики конденсаторів MKT 370−63 та MKP 380 — 100

Конденсатор VJ1206.

Рисунок 1.4 — Конденсатор VJ1206

Таблиця 1.5 — Геометричні розміри конденсатора VJ1206

Таблиця 1.6 — Технічні характеристики конденсатора VJ1206

Конденсатори B45196 та B45197

Рисунок 1.5 — Конденсатори B45196 та B45197

Таблиця 1.7 — Геометричні розміри конденсаторів B45196 та B45197

Таблиця 1.8 — Технічні характеристики.

Конденсатор FC A-100

Рисунок 1.6 — Конденсатор FC A

Таблиця 1.9 — Геометричні розміри конденсатора FC A

Таблиця 1.10 — Технічні характеристики конденсатора FC A

Резистор UXB 0207

Рисунок 1.7 — Резистор UXB 0207

Таблиця 1.11 — Геометричні розміри резистора UXB 0207

Таблиця 1.12 — Технічні характеристики резистора UXB 0207

Резистор RC1206 J R F та RC2512 J R F

Рисунок 1.8 — Резистор RC1206 J R F та RC2512 J R F

Таблиця 1.13 — Геометричні розміри резисторів RC1206 та RC2512

Таблиця 1.14 — Технічні характеристики резистора RC1206 та RC2512

Термістор РТС

Рисунок 1.9 — Термістор РТС-145

Таблиця 1.15 — Геометричні розміри термістора РТС-145

Таблиця 1.16 — Технічні характеристики термістора

Мікросхема ADG507AKR.

Мікросхема ADG507AKR служить у якості комутатора.

Рисунок 1.10 — Мікросхема ADG507AKR

Таблиця 1.15 — Технічні характеристики мікросхеми ADG507AKR

Мікросхема AD8512AR.

Мікросхема AD8512AR виступає в якості операційних підсилювачів.

Рисунок 1.11 — Мікросхема AD8512AR

Таблиця 1.16 — Технічні характеристики мікросхеми AD8512AR

Мікросхема AD7862AR-10.

Мікросхема AD7862AR-10 представляє собою 12-битный АЦП.

Рисунок 1.12 — Мікросхема AD7862AR-10

Таблиця 1.17 — Технічні характеристики мікросхеми AD7862AR-10

Мікросхема AD7945BR.

Мікросхема AD7945BR представляє собою 12-битный ЦАП.

Рисунок 1.13 — Мікросхема AD7945BR

Таблиця 1.18 — Технічні характеристики мікросхеми AD7945BR

Мікросхеми HCPL-4506#020.

Мікросхема HCPL-4506#020 виступає в якості гальванічної розв’язки.

Рисунок 1.14 — Мікросхема HCPL-4506#020

Таблиця 1.19 — Технічні характеристики мікросхеми HCPL-4506#020

Мікросхеми MC74HC240ADW та MC74HC541ADW.

Рисунок 1.15 — Мікросхеми MC74HC240ADW та MC74HC541ADW

Таблиця 1.20 — Технічні характеристики мікросхем

Мікросхема MC74HC74AD.

Рисунок 1.16 — Мікросхеми MC74HC74AD

Таблиця 1.21 — Технічні характеристики мікросхеми MC74HC74AD

Мікросхема UC3843BVD1

Мікросхема MC74HC74AD виступає у якості перетворювача напруги.

Рисунок 1.17 — Мікросхема MC74HC74AD

Таблиця 1.22 — Технічні характеристики мікросхеми MC74HC74AD

Мікросхема ATmega8515−16AI

Мікросхемі ATmega8515−16AI є мікроконтролером.

Рисунок 1.23 — Мікросхема ATmega8515−16AI

Таблиця 1.23 — Геометричні параметри мікросхеми ATmega8515−16AI

Таблиця 1.24 — Технічні характеристики мікросхеми ATmega8515−16AI

Мікросхема HIN202IBN

Мікросхема HIN202IBN — це вузол зв’язку.

Рисунок 1.19 — Мікросхема HIN202IBN

Таблиця 1.25 — Технічні характеристики мікросхеми HIN202IBN

Резисторна збірка 4605X-101−562.

А=20мм Рисунок 1.20 — Резисторна збірка 4605X-101−562

Таблиця 1.26 — Технічні характеристики резисторна збірки 4605X-101−562

Дросель B78108-S1103-K

Рисунок 1.21 — Дросель B78108-S1103-K

Таблиця 1.27 — Технічні характеристики мікросхеми дроселя

Діоди BAS32L и BAV102

Рисунок 1.22 — Діод BAV102 и BAV102

Таблиця 1.28 — Геометричні параметри діодів BAV102 и BAV102

Таблиця 1.29 — Технічні характеристики діодів BAV102 и BAV102

Діод PRLL5819

Рисунок 1.23 — Діод PRLL5819

Таблиця 1.30 — Геометричні параметри діоду PRLL5819

Таблиця 1.31 — Технічні характеристики діоду PRLL5819

Транзистор IRFU220

Рисунок 1.24 — Транзистор IRFU220

Таблиця 1.32 — Технічні характеристики транзистору IRFU220

Транзистор BC546B

Рисунок 1.25 — Транзистор BC546B

Таблиця 1.33 — Технічні характеристики транзистору BC546B

Вилка D-Sub 09 66 162 7811.

Рисунок 1.26 — Вилка D-Sub 09 66 162 7811

Таблиця 1.34 — Геометричні розміри транзистору IRFU220

Тип конектора: D Sub;;

Кількість контактів: 9;

Матеріал корпуса: метал.

Вилка 90 122−0768

W=0.800 mm

Рисунок 1.27 — Вилка 90 122−0768

Вилка 90 131−0765.

W=0.500 mm

Рисунок 1.28 — Вилка 90 131−0765

Вилка Gds A-C 32.

Рисунок 1.29 — Вилка A-C 32

Стабілітрон BZX84-C5V6.

Рисунок 1.30 — Стабілітрон BZX84-C5V6

Таблиця 1.35 — Технічні характеристики стабілітрону BZX84-C5V6

Резонатор Q-16.0-S-30−30/30-T1.

Рисунок 1.31 — Резонатор Q-16.0-S-30−30/30-T1

Таблиця 1.36 — Технічні характеристики резонатору Q-16.0-S-30−30/30-T1

Звуковий випромінювач PKB24SPC-3601-B0.

Рисунок 1.32 — Звуковий випромінювач Таблиця 1.37 — Технічні характеристики звукового випромінювача

Проаналізувавши технічні дані елементної бази, можна зробити наступні висновки:

блок контролю і управління створений на основі зарубіжної елементної бази з максимальним використанням інтегральних схем;

усі інтегральні схеми знаходяться в прямокутних корпусах, що дозволяє автоматизувати процес установки мікросхем на друковану плату.

для полегшення трасування друкованої плати необхідно мікросхеми розташувати окремо один від одного, так як кожна мікросхема представляє собою окремий функціональний блок. Тому найбільша кількість зв’язків існує всередині функціонального блоку між мікросхемами і навісними елементами (максимальна завантаженість друкованої плати провідниками буде саме в цьому районі);

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

елементна база комплектувалася за ознаками відповідності технічних характеристик експлуатаційним вимогам і мінімальної вартості;

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

1.5 Аналіз порівнянних конструкцій

Блок контролю і управління є одним з найважливіших блоків пристрою безперебійного живлення, який отримує сигнали від силового блоку, аналізує їх і передає на блок індикації.

Перед тим, як приступати до розробки будь-якого продукту, необхідно, перш за все, зробити аналіз спектру пристроїв, що поставляються на ринок різними фірмами. Потрібно оцінити не тільки технічні характеристики приладів, але також зручність у роботі, простоту експлуатації, вартість.

На сьогоднішній день на ринку електронної апаратури практично немає вітчизняної продукції такого призначення, а закордонна має високу ціну з тими ж характеристиками. У зв’язку з цим при розробці БКУ, ставилася мета створити пристрій, що володіє високими характеристиками і якістю, одночасно має низьку собівартість і високу надійність.

У сучасних аналогах ПБЖ застосовуються пристрої контролю та управління, які забезпечують контроль за роботою функціональних вузлів, що входять до складу ПБЖ. Розроблюваний БКУ виконує ті ж функції, що й аналоги, крім того він виробляє додаткові напруги живлення для БСл-1.

Блок, що розробляється, зібраний на напівпровідникових інтегральних мікросхемах при порівняно невеликій кількості навісних елементів. Тому, можна сказати, що пристрій, який розроблюється, досить не складний в реалізації, при цьому він має високу якість та високу надійність.

1.6 Технічні вимоги на розроблення

1. Граничні кліматичні умови експлуатації блоку:

температура навколишнього повітря від +5 до +60 є С;

відносна вологість повітря до 95%;

відносна вологість повітря 100% при 60 ° С протягом 2 год;

атмосферний тиск від 84 до 107 kPa

2. Вимоги до електричного монтажу:

напруга живлення 15 В ± 10%

максимальна споживана потужність 50 Вт

електричні лінії, чутливі до перешкод — вхідні сигнальні лінії

3. Конструкторські вимоги:

клас точності друкованого монтажу — не менше третього, оскільки, з одного боку, забезпечується досить висока щільність трасування і монтажу, а з іншого — для їх виробництва потрібно рядове, хоча і спеціалізоване, обладнання.

крок координатної сітки — 1,27 мм (використовуються мікросхеми та елементи з максимальним кроком виводів 1,27 мм)

вхідні лінії максимально видалити від вихідних ліній

виконати екранування провідником «земля» по всьому периметру друкованої плати.

1.7 Аналіз технології виготовлення

Пристрій безперебійного живлення, до складу якого входить розглянутий блок контролю і управління, використовується як для персональних комп’ютерів, так і для виробничого обладнання. З цього випливає, що обсяг виробництва буде серійним і складе приблизно 100 000 виробів на рік. При виникненні попиту на даний пристрій, підприємство-виробник може випустити додаткову партію проектованого виробу.

Отже, тип виробництва — серійне багатономенклатурним. Даний тип виробництва дозволяє застосувати типові технологічні процеси.

Проаналізувавши конструкцію проектованого виробу, зробимо висновок про те, що блок буде скомпоновано на основі друкованої плати з передбачуваним класом щільності друкованого монтажу 3.

З наведених вище даних по елементній базі видно, що раціонально застосовувати автоматичні методи установки мікросхем і ЕРЕ, зі способом монтажу SMD, та електрорадіоелементів з аксіальними виводами. Оскільки навісних елементів з осьовими виводами невелика кількість, їх встановлюємо вручну.

На підприємстві, де буде виготовлятися блок, що розроблюється, освоєні такі типові технології:

позитивний комбінований метод виготовлення друкованих плат (цей метод нас влаштовує, тому що він забезпечує необхідну точність виготовлення друкованої плати, поліпшуються електричні характеристики ДП через зменшення шкідливої дії хімічних реактивів на діелектричну основу, на міцність зчеплення фольги з цією основою);

автоматизований поверхневий монтаж;

автоматична установка і закріплення навісних елементів з аксіальними виводами на друковану плату;

отримання електричних контактів ручним паянням.

Збільшити продуктивність ручної збірки можна буде за рахунок автоматизації робочого місця: застосування світломонтажних столів і пристроїв, які подають навісні елементи.

2. Розробка друкованої плати

2.1 Вибір типу та розмірів друкованої плати

Друкована плата (ДП) є основним конструктивним елементом ЕА. Їх застосовують для електричних з'єднань і в якості несучих конструкцій. Друкована плата являє собою ізоляційну основу, що містить необхідні отвори, контактні площадки та друковані провідники, що забезпечують електричне та механічне з'єднання навісних елементів. Застосування друкованого монтажу дозволяє отримати наступні переваги:

зменшити габарити, масу, збільшити щільність монтажу;

підвищити надійність за рахунок зменшення загального числа паяних з'єднань;

відсутність монтажних помилок і високу ідентичність електричних і конструктивних параметрів;

можливість автоматизації виробництва, включаючи травлення, свердління отворів, складання, паяння та контроль;

високу продуктивність і низьку собівартість в умовах серійного виробництва;

уніфікація і стандартизація конструктивних виробів;

гарантована стабільність електричних характеристик;

підвищена стійкість до кліматичних і механічних впливів.

Залежно від числа шарів друкованого монтажу розрізняють односторонні (ОДП), двосторонні (ДДП) і багатошарові (БДП) друковані плати.

Односторонні друковані плати мають низьку вартість, високу надійність і точність виконання малюнка. Компоненти встановлюються з одного боку плати, вільної від монтажу, і корпусом можуть торкатися або навіть приклеюватися до плати. Виводи компонентів встановлюють в монтажні отвори і підпоюють до контактних майданчиків. До недоліків ОДП слід віднести низьку щільність компонування, зазвичай не перевищує 1,5 ЕРЕ/. Небажані перетинання можна уникнути введенням об'ємних провідників або використанням ДДП.

У ДДП друковані провідники розташовуються з двох сторін плати, а елементи з одного боку. Електричний зв’язок між провідниками різних сторін здійснюється перехідними отворами, використання яких дозволяє при відсутності обмежень на розміри плати реалізувати будь-яку схему ЕА. Установка компонентів може виконуватись з обох сторін плати, але обов’язково з введенням зазору між основою плати і корпусом елемента. Використання ДДП дозволяє підвищити щільність монтажу до 2 ЕРЕ/. В якості недоліку слід відзначити зменшення надійності за рахунок введення в конструкцію перехідних отворів і збільшення вартості.

Багатошарова друкована плата складається з ізоляційних шарів, що чергуються, з нанесеними на них провідними малюнками. Між шарами можуть бути або відсутнім міжшарових з'єднання. Багатошаровий друкований монтаж частково заміняє у ЕА провідний монтаж, що є трудомістким та важко піддається механізації і автоматизації, дозволяє ще більшою мірою зменшити габарити, масу, збільшити щільність монтажу і за рахунок зменшення загального числа паяних з'єднань підвищити надійність апаратури.

З причини середньої складності електричної схеми для виготовлення блоку контролю та управління пристрою безперебійного живлення найбільш оптимальним буде використання двосторонньої ДП.

За точністю виконання елементів конструкції друковані плати діляться на п’ять класи точності. Друковані плати ЕА рекомендується виготовляти по 2 і 3 класів точності. У зв’язку з цим дана ДП буде виготовлятися по третьому класу точності.

Таблиця 2.1 — Настановні параметри елементів

Для визначення площі конструкції ДП скористаємося формулою:

(2.1)

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

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

З формули (2.1) отримуємо площу ДП БКУ:

S=3* (25.2*5+32.4+0.008*41+31.39*5+31.39*5+0.64*3+15.75*25+4.96*32+ +19.69+31.5+185.4+30*4+185.4+131.84+73.53*2+130.81+130.81*2+51.3+ +29.4+144*2+59.4+50*6+5.25*8+7*6+15.18+16.8*2+108.15+0.195+0.1*2+ +1031+6.44+48.6*2+590.49+16*4) =12 213.579 мм².

Блок контролю й управління є нестандартним виробом. Оскільки БКУ входить до складу більш складного пристрою, при виборі розміру друкованої плати повинні враховуватися габарити цього пристрою і розміри посадкового місця. На підставі цього вибираємо ДП розмірами 280×82.5 (згідно з вимогами ДСТУ 10 317−79 співвідношення сторін ДП не більше 3: 1, однак допускається збільшення зазначеного співвідношення).

Площа вибраної ДП задовольняє розрахунку.

Як матеріал для виробництва друкованої плати вибираємо склотекстоліт з двостороннім фольгованим шаром (товщиною фольгованого шару — 35 мкм) — СФ-2−35 — для виготовлення двосторонніх друкованих плат.

На даний час склотекстоліт найбільш поширений матеріал для виготовлення друкованих плат. СФ-2−35 має наступні характеристики по ГОСТ 10 316–78:

низьке водопоглинання (0.2…0.8%);

стійкість до жолоблення;

підвищена жорсткість і міцність;

питомий поверхневий опір с_S = 10¹⁰…10¹¹ Ом;

питомий об'ємний опір с_V = 10¹¹…10¹³ Ом * см;

діапазон робочих температур — 60… +105 ° С;

діелектрична проникність м = 6.

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

При розташуванні ІС, ЕРЕ на друкованій платі необхідно передбачати забезпечення основних технологічних вимог, що пред’являються до апаратури (автоматизоване складання, паяння, контроль, ремонтопридатність).

У процесі конструювання ДП виконуються такі розрахунки:

конструктивно-технологічний;

розрахунок по змінному струму;

розрахунок по постійному струму.

2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати

Для визначення основних параметрів друкованого монтажу виконується конструктивно-технологічний розрахунок друкованого монтажу, який виконується з урахуванням виробничих похибок малюнку провідних елементів, фотошаблонів, базування, свердління й т.п.

Основні умовні позначення, які використовуються при розрахунку, і графічне зображення ДП наведені на рисунку 2.1

Рисунок 2.1 — Основні умовні позначення і графічне зображення ДП

Hn — товщина ДП;

Hnc — загальна сумарна товщина ДП;

Hм — товщина основи ДП;

hn — товщина фольги;

h — товщина провідного малюнку;

l — відстань між центрами елементів;

t — ширина друкованого провідника;

Q — відстань від краю плати до елементів провідного малюнка;

d — діаметр отвору;

b — ширина гарантійного паску;

D — діаметр контактної площадки;

S — відстань між краями сусідніх елементів провідного малюнка.

Мінімальний діаметр перехідного отвору:

(2.2)

де Нп — товщина друкованої плати мм;

I — відношення діаметра металізованого отвору до товщини ДП (таблиця 2.2).

Згідно з ДСТУ 10 316−78 вибираємо товщину діелектрика 1.5 мм.

Таблиця 2.2 — Номінальні значення основних параметрів друкованого монтажу для вузьких місць

Приймаємо діаметр перехідного отвору 0,7 мм.

Мінімальне значення діаметра монтажного отвору визначаємо із співвідношення:

(2.3)

де d_В — максимальне значення діаметра виводу навісного елемента;

d_Н — нижнє граничне відхилення номінального значення діаметру отвору (таблиця 2.3);

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

Таблиця 2.3 — Допустимі похибки виконання конструктивних елементів

Для виводів d_В =0,5 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо1= 0,5+0,2+0,05=0,75 мм; приймаємо d_мо1=0,8 мм;

для виводів d_в=0,6 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо2=0,6+0,2+0,05=0,85 мм; приймаємо d_мо2=0,9 мм;

для виводів d_в=0,7 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо3=0,7+0,2+0,05=0,95 мм; приймаємо d_мо3=1,0 мм;

для виводів d_в=0,8 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо4=0,8+0,2+0,05=1,05 мм; приймаємо d_мо4=1,1 мм.

Номінальне значення ширини провідника t розраховуємо за формулою:

(2.4)

де — мінімально допустима ширина провідника (таблица2.2);

t_но — нижнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення ширини провідника:

Приймаються номінальне значення ширини провідника t₁ = 0,3 мм.

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка визначаємо за формулою:

S = S_м + t_во, (2.5)

де S_м — мінімально допустима відстань між сусідніми елементами провідного малюнка (табл.2.2);

t_во — верхнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

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

Приймаються номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка S = 0,3 мм. Розрахунок мінімального діаметру контактної площадки виконуємо за формулою:

(2.6)

де — діаметр отвору;

— підтравлювання діелектрика, мм;

— діаметральне значення позиційного допуску розміщення центрів отворів щодо номінального положення (табл.2.3);

— діаметральне значення позиційного допуску розміщення контактних площадок щодо номінального положення (табл.2.3).

;

при d_мо1=0,8 мм

;

при d_мо2=0,9 мм

;

при d_мо3=1 мм

;

при d_мо4=1,1 мм

;

Приймаємо D_по = 1,1 мм, D₁ = 1,44 мм, D₂ = 1,54 мм, D₃ = 1,64 мм, D₄ = 1,74 мм.

Розрахунок мінімальної відстані для прокладки n-ї кількості провідників між контактними майданчиками виробляємо тільки для елементів, між виводами яких проходять друковані провідники:

l = D + t * n + S * (n + 1) + дl, (2.7)

де n — кількість провідників, n = 1;

дl — позиційний допуск розташування провідника (таблиця 2.2).

l₂ = 1,54 + 0,5 + 0,5 * (1 + 1) + 0,05 = 3,09 мм З вищенаведеного розрахунку можна зробити висновок, що відстань між двома сусідніми контактними площадками, призначеними для установки мікросхем D9 і D10, недостатня для прокладки одного провідника з урахуванням обмежень, що пред’являються до друкованого монтажу, тому контактні площадки у разі потреби можна підрізати із збереженням ширини гарантійного паска b = 0,05 мм.

На рисунку 2.2 представлені необхідні параметри для розрахунку контактних площадок КПМ.

Розрахунок контактних площадок елементів поверхневого монтажу проводиться за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення (ПЗ) LP Calculator. Дане ПЗ, робить розрахунок контактних площадок відповідно до стандарту IPC-7351A, розробленого асоціацією IPC у співробітництві з компанією PCB Matrix Corp.

Рисунок 2.2 — Контактні площадки для КПМ Результати розрахунку компонентів поверхневого монтажу зведені до таблиці 2.4

Таблиця 2.4 — Результати розрахунку КПМ

Крок між контактними площадками для елементів з планарними виводами дорівнює кроку виводів відповідних елементів.

Отримані значення параметрів друкованих елементів можуть коректуватися у бік збільшення на підставі електричного розрахунку тих же елементів по постійному струму, який приведений в підрозділі 2.4.

2.3 Постановка завдання трасування друкованої плати

Визначення конкретної геометрії друкованого монтажу, що реалізує з'єднання між елементами схеми, називається трасуванням. Вихідними даними для трасування є схема електрична принципова, результати компонування елементів на ДП і конструкторсько-технологічний розрахунок зроблений раніше.

Зіставляючи схему електричну принципову і компоновку елементів, можна чітко визначитися з місцем розташування елементів на платі. Для досягнення високої якості трасування був проведений конструкторсько-технологічний розрахунок.

При трасуванні з'єднань необхідно виконувати основні вимоги ГОСТ 10 317–79, ГОСТ 2.41 778.

Спочатку на поверхню друкованої плати паралельно її сторонам наноситься координатна сітка. У лівому нижньому куті плати приймаємо початок координат. Цей кут називається базою. Основний крок координатної сітки 1,27 мм (стандартний для дюймової системи координат, що використовується в програмному додатку PCAD). Центри отворів і контактних площадок рекомендується розташовувати у вузлах координатної сітки. Для збільшення надійності контактних площадок при експлуатації виробу приймається округла форма.

Пряма розводка є найпростішим способом трасування. У цьому випадку траси прокладаються по найкоротшому шляху, що пов’язує ці точки. Траси проходять поруч з уже прокладеними трасами, огинаючи їх.

Метод має такі недоліки: надмірна заплутаність отриманого малюнка друкованого монтажу; низька ефективність у складних схемах; значне збільшення сумарних довжин зв’язків; наявність великої кількості перехідних отворів. Тому цей метод розведення рекомендується застосовувати для нескладних схем.

Координатний спосіб розведення передбачає розміщення провідників на різних шарах плати. Для виконання діагональних з'єднань і запобігання перетину провідників вводять перехідні отвори, які погіршують характеристики ДП. Велика кількість перехідних отворів збільшує вартість ДП, знижує надійність, ускладнює технологічний процес виготовлення ДП.

У даному випадку для зменшення довжини провідників їх розташовують у взаємно перпендикулярних площинах. Зв’язок здійснюється за допомогою металізованих перехідних отворів.

Трасування блоку виконувалася в програмі PCAD.

2.4 Розрахунок по постійному струму

Найбільш важливими електричними властивостями друкованих плат є навантажувальна здатність провідників по струму, опір провідників і діелектрична міцність основи друкованої плати. Беремо методику розрахунку з.

Спочатку розрахуємо потрібний перетин провідника сигнальної ланцюга:

мм^{2 (}2.9)

де — питомий опір провідника (для провідників, отриманих методом електрохімічного нарощування = 0,05 Ом· ммІ/м);

I — струм, що видається в навантаження (для сучасних серій МС I ? 0,1A);

l — максимальна довжина провідника (приймемо l =0,1 м);

U_{З. ПУ — запас перешкодостійкості (для сучасних серій інтегральних схем UЗ. ПУ = 0,4…0,5 В).}

Необхідна ширина друкованого провідника:

мм² (2.10)

де h_{ф — товщина фольги (hф = 0,035 мм).}

Для друкованих плат третього класу точності ширина друкованого провідника повинна бути порядку 0,25 мм, тому виходячи з цього і враховуючи технологічні можливості приймаємо ширину друкованого провідника для плати t = 0,3 мм.

Ширина друкованого провідника шини живлення і землі:

(2.11)

Для U_П=5 В:

мм.

Мінімальна ширина шин живлення й «землі»

Для U=5В:

Приймається ширина ланцюгів живлення і землі однаковою: при U_{П =5В — bжз=0,71 мм.}

Зазор між провідниками вибирають в залежності від різниці напруг між сусідніми провідниками. Напруга пробою лакованих плат визначається електричною міцністю лакового покриття. Для друкованої плати, що розроблюється, мінімальний зазор складає 0,35 мм.

Отриманий для конкретної різниці потенціалів між провідниками зазор має бути збільшений, якщо опір витоку між провідниками перевищить допустиме значення, обчислене на основі аналізу принципової схеми. Розрізняють два види електропровідності діелектриків: поверхневу та об'ємну.

Поверхневий опір ізоляції паралельних друкованих провідників обумовлюється наявністю питомої поверхневого опору діелектрика плати:

Ом (2.12)

де l_{З — зазор між провідниками;}

l — найбільша довжина спільного проходження провідників (l=100 мм).

Опір ізоляції паралельних провідників наближено обчислюється: