Предельные значения параметров

- Наибольшее напряжение на измерительных входах (постоянное напряжение или амплитудное значение переменного), В..........6,3

- Наибольший ток частотного выхода (выводы 8-11), мА, при напряжении высокого и низкого уровней........5

- Наибольшая рассеиваемая мощность, мВт...............150

- Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С.........-60...+60

- Допустимое значение статического потенциала, В.200

Как известно, электрическая мощность - это физическая величина, характеризующая скорость изменения электрической энергии. В цепях переменного тока различают мощность мгновенную, активную, реактивную и полную. Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений напряжения и тока. Активная мощность - это среднее за период значение мгновенной мощности переменного тока. Она затрачивается на совершение какой-либо полезной работы (механической, тепловой, химической и пр.), при этом электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии. Реактивная мощность не совершает работы и характеризует скорость накопления энергии в конденсаторах и катушках. Полная мощность равна алгебраической сумме активной и реактивной мощностей.

Микросхема серии КР1095ПП1 измеряет только активную мощность. Для этого в микросхеме реализован принцип импульсного перемножения двух сигналов, пропорциональных мгновенным значениям напряжения и тока, с помощью широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции, Полученные значения, пропорциональные мгновенной мощности, микросхема суммирует в течение определенного интервала времени (равного одному периоду колебаний переменного тока), после чего делением на число слагаемых находит среднее значение мгновенной мощности. Это значение пропорционально активной мощности. Далее микросхема полученный сигнал преобразует в последовательность импульсов, частота которых оказывается пропорциональной произведению значений напряжения на входах датчиков тока и напряжения, т. е. активной мощности потребителя.

Рисунок 2. – структурная схема преобразователя мощность-частота

Структурная схема преобразователя мощность-частота представлена на рис. 2. Перемножающие преобразователи выполняют перемножение сигналов образцового напряжения (на выводах 5, 6) и сигналов, пропорциональных измеряемым току через нагрузку (на выводах 2, 3) и напряжению на ней (выводы 16,17). Изменение образцового напряжения позволяет масштабировать коэффициент преобразования мощности в частоту. Образцовое напряжение поступает одновременно на оба преобразователя - напряжения и тока.

К внутренним входам преобразователей подведены импульсы тактовой частоты, вырабатываемые формирователем тактовой последовательности. Таким образом, в результате обработки аналоговых сигналов датчиков перемножающие преобразователи формируют последовательности импульсов. Для обеспечения стабильности тактовой частоты использован кварцевый резонатор, подключаемый к выводам 12 и 13 микросхемы.
Оба перемножителя представляют собой преобразователи напряжение- частота, причем к верхнему по схеме на рис. 2 поступает сигнал, пропорциональный напряжению контролируемой цепи, а к нижнему - входной сигнал, снятый с датчика тока в этой цепи, т. е. падение напряжения на измерительном резисторе. В преобразователе цепи датчика напряжения использован метод широтно-импульсной модуляции сигнала импульсами тактовой частоты. Модулируемый сигнал - произведение сигнала с датчика напряжения и образцового напряжения. В преобразователе цепи датчика тока реализована амплитудно-импульсная модуляция сигнала импульсами тактовой частоты. Здесь модулируемый сигнал - произведение напряжения с датчика тока и образцового напряжения. Оба преобразователя работают по принципу дельта-сигма модулирования с использованием коммутируемых конденсаторов. Поскольку на один из внутренних входов преобразователя цепи датчика тока поступает импульсная последовательность с выхода преобразователя цепи датчика напряжения, сигнал на выходе токового преобразователя содержит информацию об измеряемой мощности.
Девятиразрядный двоичный реверсивный счетчик усредняет число импульсов положительной и отрицательной мощности, поступающих с выхода токового преобразователя.

Узел цифровой обработки сигнала содержит пятиразрядный двоичный счетчик, который служит для деления частоты реверсивного счетчика. Кроме того, в этом узле есть шестнадцатиразрядный двоичный счетчик (он уменьшает частоту импульсов, подаваемых на частотные выходы), а также логические устройства и электронные переключатели, обеспечивающие подачу импульсов на частотные выходы положительной (вывод 9) и отрицательной (вывод 10) мощности.

Формирователь тока смещения позволяет при необходимости регулировать ток, потребляемый преобразователями микросхемы. Этого достигают включением внешнего резистора между выводом 1 и плюсовым или минусовым выводами питания (выводы 7 и 15 соответственно). В первом случае потребляемый ток увеличивается, во втором - уменьшается. Сопротивление этого резистора может находиться в пределах от 51 до 510 кОм. Чем меньше сопротивление резистора, тем сильнее изменение потребляемого тока. Он изменяется как по плечу +6 В, так и -6 В.

В зависимости от знака мощности выходная последовательность импульсов формируется либо на выходе FOP (положительная мощность), либо FON (отрицательная).

Типовая схема включения преобразователя мощность-частота серии КР1095ПП1 в качестве измерителя мощности переменного тока представлена на рисунке 2.. Резисторы R1 и R2 образуют делитель сетевого напряжения. С выхода делителя сигнал, пропорциональный напряжению сети, поступает на измерительный вход U1-U2 микросхемы. Падение напряжения на резисторе

R3, являющемся датчиком тока, пропорциональное току нагрузки, приложено к измерительному входу I,-l2. На входы +U0 и -Uo подано образцовое напряжение (около 9 В) с параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на резисторах R4, R5 и стабилитроне VD1.

Рисунок 2. – типовая схема подключения КР1095ПП1А

При подаче напряжения питания и подключении нагрузки на выходах преобразователя мощность-частота появляются следующие сигналы: на выходе FT - импульсы тактовой частоты 1 МГц (частота основной гармоники кварцевого резонатора ZQ1); на FO - импульсы с частотой, в 218 (262144) раз меньше тактовой, т. е. около 3,81 Гц; на FOP - импульсы с частотой, которая пропорциональна мощности, потребляемой нагрузкой; на FON - постоянное напряжение -6 В; на FOC - импульсы с частотой, в 16 раз большей частоты импульсов на выходе FOR

Коэффициент Kui*F преобразования произведения сигналов напряжения и тока в частоту зависит от частоты тактового генератора и образцового напряжения, снимаемого со стабилитрона VD1. Значение коэффициента Ku,.F прямо пропорционально частоте тактового генератора и обратно пропорционально квадрату образцового напряжения, т. е. с уменьшением образцового напряжения оно увеличивается. Для указанных на рис. 3 частоты кварцевого резонатора и типа стабилитрона Kui.F равен примерно 800 Гц/В2. При этом импульсы снимают с выхода FOR
Коэффициент преобразования потребляемой нагрузкой мощности в частоту - КР, который обеспечивает узел по схеме на рис. 3, зависит как от значения коэффициента Кuif микросхемы, так и от параметров датчиков тока и напряжения. Зная сопротивление элементов датчика напряжения R1R2 и датчика тока R3, несложно вычислить коэффициент преобразования мощности КР в частоту Fвых:

где Рн, Uн и Iн - соответственно мощность нагрузки, напряжение на ней и ток через нее.

При определении коэффициента преобразования в формулы следует подставлять действующие значения напряжения и тока. Для указанных на схеме рис. 3 параметров элементов (тактовая частота - 1 МГц, образцовое напряжение - 9 В) коэффициент преобразования КР равен примерно 1 Гц/Вт. По выходу FOC коэффициент преобразования в 16 раз больше, чем по выходам FOP и FON.

Термины "положительная" мощность и "отрицательная" - условны. Они отражают то обстоятельство, что микросхема по-разному реагирует на направление потока электрической энергии: от питающей сети слева к нагрузке справа (см. рис. 3) или, наоборот, от сети справа к нагрузке слева. Как было указано выше, для случая питания нагрузки по схеме, показанной на рис. 3, импульсы снимаются с выхода положительной мощности FOR Если выводы подключения нагрузки и питающей сети поменять местами, то импульсы, пропорциональные мощности, появятся на выходе отрицательной мощности FON (на выходе FOP при этом установится напряжение -6 В).
Такой же результат будет, если поменять местами подключение выводов Ui и U2 (либо l1 и l2) микросхемы. Можно также сказать, что "знак" мощности определяется знаком падения напряжения на датчике тока - резисторе R3. Оно определено, в свою очередь, направлением протекания тока через этот резистор. Говоря более строго, речь идет о фазе тока относительно фазы напряжения: если разность фаз равна нулю, микросхема измеряет положительную мощность, если же равна 180°, - отрицательную.

При построении устройств на базе описываемой микросхемы последовательность импульсов можно снимать с выходов FOP и FON. Если удобнее работать с большей частотой, то выходной сигнал снимают с выхода FOC. Сигнал на этом выходе не зависит от "знака" мощности.
Как уже было отмечено выше, стабильность коэффициента преобразования мощности в частоту зависит от стабильности образцового напряжения и частоты кварцевого генератора. Высокую температурную стабильность образцового напряжения обеспечивают применением прецизионного термо-компенсированного стабилитрона Д818Е или аналогичного (серии КС191 и др.). Для дополнительного повышения стабильности образцового напряжения его источник следует питать стабилизированным напряжением. Для повышения стабильности частоты кварцевого резонатора он может быть помещен в термостабилизированную камеру, однако в большинстве случаев в этом нет необходимости.

Убедиться в том, что микросхема учитывает только активную мощность переменного тока, можно следующим образом. В качестве нагрузки подключают конденсатор, например, К73-17 емкостью 1 мкФ на номинальное напряжение не менее 400 В. При этом импульсы на выходе FOP микросхемы должны отсутствовать, хотя сигналы на входах U и I, микросхемы не равны нулю. При использовании конденсаторов с большими потерями (например, МБГО емкостью 10 мкФ) на выходе FOP могут присутствовать импульсы невысокой частоты (порядка 20...30 Гц).
При проведении экспериментов с конденсаторами следует помнить, что в момент подключения конденсатора через него протекает значительный импульс тока, что вызывает всплеск напряжения на датчике тока до нескольких десятков вольт. Если не принять мер к защите входов микросхемы, она выйдет из строя. Напряжение на ее входах можно ограничить двумя стабилитронами КС139А или КС147А, включенными последовательно встречно, либо с помощью диодных ограничителей.
На входы U1 U2 и 1I, l2 может быть также подано постоянное напряжение не более 4 В той или иной полярности. Это позволяет применять микросхему для стабилизации напряжения или тока. Коэффициент Kui.F при этом сохраняет свое значение.

Микросхема может также работать и с пульсирующим однополярным напряжением, получающимся в результате одно-или двуполупериодного выпрямления.

2.4 Расчет потребляемой мощности и надежности устройства

Потребляемая мощность – значение мощности, потребляемой устройством от источника питания в рабочем режиме.

Мощность, потребляемая всей схемой, Р _пот.сх численно равна алгебраической сумме мощностей, потребляемых всеми элементами одного типа, Р _пот:

Р _{пот. сх} = Р_{i пот}, (2.1)

где Р _{пот. сх} – мощность, потребляемая всей схемой, Вт;

Р_{i пот} – мощность, потребляемая всеми элементами i -го типа, Вт;

K – количество разновидностей элементов.

Мощность, потребляемая всеми элементами одного типа, Р _пот равна произведению мощности, потребляемой одним элементом, Р _пот.эл на количество элементов одного типа N:

Р _пот = Р _{пот. эл} ∙ N, (2.2)

где Р _пот – мощность, потребляемая всеми элементами одного типа, Вт;

Р _{пот. эл} – мощность, потребляемая одним элементом, Вт;

N – количество однотипных элементов, шт.

Данные, необходимые для расчета потребляемой мощности всей схемы, сводятся в таблицу 2.2 на основании официальных руководств по применяемым микросхемам. Вычисление Р _пот будет вестись по формуле (2.1).

Таблица 2.2 - Потребляемая мощность электронных компонентов

По формуле (2.1) определяется мощность, потребляемая всей схемой, Р _пот.сх= 166,8 мВт.

Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения его соответствия требованиям. В результате расчета должны быть определены количественные характеристики надежности объектов. Расчет производится по известным данным об интенсивности отказов элементов, составляющих рассматриваемый объект; в частности, надежность какой-либо сборочной единицы ЭВМ определяется значениями интенсивности отказов (электрорадиоэлементов) ЭРЭ и элементов конструкции, составляющих сборочную единицу.

Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя в единицу времени.

Интенсивность отказов объекта L есть сумма интенсивностей отказов всех входящих в объект элементов l_iэ:

L_о = l_iэ, (2.3)

где L_о - интенсивность отказов объекта, 1/час;

l_iэ - интенсивность отказов элементов i-го типа и режима использования, 1/час;

K - количество разновидностей элементов по типам и режимам использования.

Интенсивность отказов l_э ЭРЭ в реальных условиях эксплуатации связана с величиной интенсивности отказов l_н ЭРЭ при номинальном электрическом режиме, коэффициентом нагрузки К _н, температурным коэффициентом К _т и количеством элементов N с интенсивностью отказов l_iэ соотношением:

l_э = l_н∙ К _н∙ К _т∙ N, (2.4)

где l_э - интенсивность отказов ЭРЭ в реальных условиях эксплуатации, 1/час;

l_н - интенсивность отказов ЭРЭ при номинальном электрическом режиме, 1/час;

К _н - коэффициент нагрузки - отношение количества используемых ножек микросхемы к общему числу ножек микросхем;

К _т - температурный коэффициент;

N - количество элементов с интенсивностью отказов lн, шт.

Все данные, необходимые для расчета интенсивности отказов объекта, сводятся в таблицу 2.3, вычисление lэ будет вестись по формуле (2.4).

Таблица 2.3 - Интенсивность отказов электронных компонентов

Подставив значение l_э в формулу (2.3), определяется L_о:

L_о = __________∙10^-6 1/час.

Средняя наработка до отказа, или среднее время безотказной работы, есть ожидаемая наработка объекта до первого отказа.

Средняя наработка до отказа Т _о обратно пропорциональна интенсивности отказов объектов L_о:

Т _о = 1/L_о, (2.5)

где Т _о - средняя наработка до отказа, час;

L_о - интенсивность отказов объекта, 1/час.

Подставив значение L_о в формулу (2.5) определяется Т _о:

Т _о = _______ часов.

Вероятность безотказной работы объекта Р _о(t) - это вероятность того, что в пределах заданной наработки, т. е. заданного интервала времени, отказ объекта не возникнет.

Величина Р _о(t) определяется выражением

Р _о(t) = еxp (-L_o∙ t), (2.6)

где Р _о(t) - вероятность безотказной работы в течении t часов;

L_о - интенсивность отказов объекта, 1/час;

еxp - основание натурального логарифма.

По формуле (2.6) рассчитывается вероятность безотказной работы устройства в течение 1000 часов:

Р _о(1000)» ___________ = ________%.

Таким образом, существует 98,67% вероятности безотказной работы устройства в течение 1000 часов.

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка электрической принципиальной схемы устройства

Принципиальная схема – это схема, содержащая полный и детальный состав элементной базы и связи между элементами, а также представляющая принципы работы электронного устройства. По имеющейся структурной схеме построим электрическую принципиальную схему проектируемого устройства.

Принципиальная электрическая схема узлов автоматизированной системы контроля и учета потребляемых ресурсов показана на рисунке 3.1, 3.2 и 3.3

3.2 Разработка управляющей программы

Упрощенный алгоритм работы автоматизированной системы контроля и учета потребляемых ресурсов приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Алгоритм работы автоматизированной системы

Автоматизированная система контроля и учета потребляемых ресурсов на предприятии предназначено для введения учета за потребляемыми ресурсами, сбора и обработки этих данных, а так же при возможности автоматизированной передачи этих данных в организации предоставляющие ресурсы. При этом так же требуется постоянный контроль за отдельно взятыми узлами данной системы.

Рассмотрим алгоритм работы автоматизированной системы:

1) Происходит опрос всех подключенных к системе устройств, которые в ответном сообщении должны прислать данные о работоспособности, состоянии сети, свои идентификаторы. Данные ответы отмечаются в базе данных об устройствах. В случае, если пришел ответ от неизвестного (не зарегистрированного) устройства, система оповещает об этом оператора АРМа соответствующим сообщением. Система в дальнейшем сохраняет полученные данные от этого устройства отдельно от основных, зарегистрированных устройств в целях безопасности и экономии места (если в определенный срок не зарегистрировать новое устройство, данные удаляются, новые данные с этого узла более не сохраняются).

2) Далее система проверяет по полученным ответам и списку зарегистрированных узлов состояние системы. Если от какого либо зарегистрированного узла ответа не пришло, или пришли неизвестные (битые данные), к этим узлам отправляется контрольный запрос о состоянии. Данные о не ответивших или о приеме битых данных заносятся в базу данных.

3) Если узлы не отвечают и на контрольный запрос, то система оповещает оператора АРМа сообщением об этом, но продолжает работать дальше, но без этого узла. В сообщении указываются идентификатор неисправного узла, данные с предыдущих состояний, исходя из которых можно определить вероятную причину неисправности. Если же узел ответил, то система дальше работает в штатном режиме, но при этом выдает сообщение оператору о необходимости контроля за этим узлом.

4) Данные приходят с определенной частотой, обрабатываются и сохраняются. При обработке данные считаются по времени и ежечасно записываются. При сохранении сохраняются не только сами показания, но и идентификатор узла, время.

5) При условии если система принимает данные от главного счетного устройства (основные счетчики предприятия), система собирает данные со всех узлов, суммирует показания однотипных счетных устройств и сравнивает общее потребление и потребление по основному счетчику.

6) В случае большой разницы между данными основного счетчика и общего значения со счетных устройств выдает сообщение об утечке ресурса. Это удобно, если предприятие занимает определенную площадь территориально и каналы передачи ресурсов на территории предприятия скрыты разного рода преградами: сообщение – это сигнал на обследование участка или всей системы передачи ресурса.

7) Если у организации, предоставляющей предприятию тот или иной вид ресурса, есть соответствующее оборудование и программное средство, данная система через определенный (учетный) период времени отправляет данные о потреблении соответствующих ресурсов.

8) При ошибке отправки или если не пришел отчет о доставке данных, на операторском месте выводится соответствующее сообщение об ошибке.

Далее через определенный период система переходит на следующий цикл всего алгоритма. Это позволяет своевременно обнаружить неисправные узлы системы, утечки в системах обеспечения предприятия ресурсами.

3.3 Разработка печатной платы

Конструктивной несущей частью узлов разрабатываемой системы является плата с печатным монтажом. Необходимо ограничить влияние внешней среды на устройство. Для защиты устройства от пыли и влаги плату необходимо упаковать в специальный корпус. Корпус должен предусматривать отверстие для индикатора. Так же корпус должен предусматривать возможность ремонта устройства, то есть иметь съемную крышку.

Процесс разработки чертежа к печатной плате складывается из следующих операций:

- компоновка печатной платы, в процессе который находится оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате; в результате компоновки находят положение контактных площадок для подключения всех элементов;

- разводка печатных проводников; цель этой операции – провести проводники, соединяющие контактные площадки так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов в другие слои с целью устранения пересечений;

- оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

Чертеж должен содержать основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. На чертеж печатной платы необходимо наносить координатную сетку в соответствии с выбранным масштабом. Координаты сетки нумеруют через 1-5 шагов.

Проводники, ширина которых на чертеже менее 2 мм, рекомендуется изображать сплошными линиями; более широкие проводники, в том числе контактные площадки, необходимо штриховать под углом 45 градусов. Круглые контактные площадки отверстий следует изображать второй концентрической окружностью диаметром, соответствующим минимальному размеру контактной площадки.

Монтажные и переходные отверстия с зенковкой следует изображать одной окружностью.

На плате должна быть произведена необходимая маркировка указывающая номер платы, координаты рядов ИМС, номера печатных слоев и т.д.

Плотность тока в печатном проводнике должна быть не более 20 А/мм, для одно- и двухсторонних печатных плат и наружных слоев МПП не более 15 А/мм для внутренних слоев МПП.

Печатные платы должны иметь прямоугольную форму. Металлизированные отверстия должны иметь контактные площадки. Рекомендуемая форма контактных площадок – круглая или прямоугольная с плавными переходами к проводнику. Проводники шире 5 мм должны иметь вырез; эти вырезы показывают на чертеже печатной платы.

Исходным при конструировании печатной платы является монтажная схема для данной принципиальной схемы. Расстояние между корпусами соединенных компонентов на плате должно быть не менее 1 мм, а расстояние между ними по торцу не менее 1,5 мм. Все монтажные отверстия располагаются в узлах координатной сетки. В нашем случае он равен 1,25 мм. Формы и размеры отверстий зависят от геометрических выводов компонентов.

Диаметр отверстия вывода детали, должен быть больше не менее, чем на 0,15-0,25 мм. Такое соотношение обеспечивает лучшее условие пайки.

Толщина платы 1+0,5 мм. Чертеж платы выполнен в масштабе 1:1. Минимальная ширина проводников 0,6 мм. Расстояние между ними 0,65 мм.

Плата крепится к пластмассовому корпусу четырьмя винтами.

Для разработки печатной платы устройства будет применена система P-CAD 2006, которая представляет собой пакет программного обеспечения для сквозного проектирования аналоговых, цифро-аналоговых и аналогово-цифровых устройств.

В частности, она позволяет выполнять следующие операции:

- подбирать элементную базу в соответствии с техническим заданием;

- вести библиотеки символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов;

- осуществлять графический ввод схемы и ее упаковку на печатную плату;

- выполнять трассировку в ручном, интерактивном и автоматическом режимах;

- проводить смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;

- выявлять ошибки в схеме и печатной плате, вплоть до анализа целостности сигналов и перекрестных искажений;

- выпускать полный комплект конструкторско-технологической документации для передачи на предприятие - изготовитель печатных плат.

В состав данного программного комплекса входит несколько тесно интегрированных между собой модулей:

1. Library Executive - диспетчер библиотек, значительно упрощающий процесс подбора элементной базы для конкретного проекта.

2. Symbol Editor - графический редактор для формирования условно графических обозначений (УГО) библиотечных компонентов.

3. Pattern Editor - графический редактор для формирования посадочных мест компонентов.

4. Schematic - графический редактор для ввода принципиальных схем изделия.

5. РСВ - графический редактор, позволяющий пользователю самостоятельно или с помощью набора функций Visual Placement Area (VPA) разместить модули на монтажно-коммутационном поле и провести трассировку проводников в ручном, интерактивном или автоматическом режимах.

6. Document Toolbox - включенная в приложения РСВ и Schematic утилита, значительно облегчающая подготовку конструкторской документации.

7. Автотрассировщики - особые модули для автоматической прокладки проводников на печатной плате.

8. Interroute Gold и Advanced Route - дополнительные наборы команд для РСВ, позволяющие в интерактивном режиме прокладывать проводники, автоматически раздвигая помехи.

9. DBX-utils - обширный набор утилит, использующих для работы интерфейс DBX (Data Base Exchange).

10. InterPlace/PCS - многофункциональная DBX-утилита, облегчающая размещение компонентов.

11. Signal Integrity - инструмент для анализа влияния конструкции печатной платы на условия распространения сигналов (задержка, потери, паразитные наводки, согласование с источниками и нагрузками).

Общие характеристики системы проектирования P-CAD 2006:

- 32-разрядная база данных;

- разрешающая способность - 0,001мм;

- количество электрических цепей в проекте - до 64 000;

- допускается включать в отдельную библиотеку до 20 000 компонентов и одновременно открывать неограниченное количество библиотек;

- каждый компонент может содержать до 10 000 выводов и до 5000 секций (вентилей);

- программа поддерживает до 8 символов в имени файла, до 16 символов в названии типа компонента, до 20 символов в именах вывода и цепи и в позиционном обозначении вывода и до 30 символов в позиционном обозначении компонента;

- предусмотрен многошаговый «откат» вперед и назад (по умолчанию количество запоминаемых шагов равняется 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации).

3.4 Описание технологии изготовления печатной платы

Печатная плата (ПП) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, накруткой, склёпкой, впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные (МПП). На печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. Оценивая сложность схемы, количество компонентов в ней, можно сделать вывод, что печатная плата будет двусторонней.

Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии.

Материал для печатной платы выберем стеклотекстолит фольгированный односторонний марки FR4, толщиной 1,5 мм. Печатная плата будет односторонней, и для ее изготовления выберем комбинированный позитивный метод.

Комбинированный метод основан на комбинации технологических процессов, когда печатные платы изготавливаются из фольгированных диэлектриков вытравливанием рисунка химическим методом с металлизацией отверстий электрохимическим методом.

Последовательность технологического процесса изготовления ДПП выбранным методом:

1. Входной контроль электро-радио изделий (ЭРИ) осуществляют для выявления деформаций используемого материала.

2. Раскрой материала основания ПП определенного размера. Заготовка ПП должна иметь технологическое поле, на котором располагаются фиксирующие, технологические отверстия.

3. Получение заготовок и базовых отверстий. Единичные заготовки получают в два этапа: разрезки листа диэлектрика на полосы и сверление или пробивка базовых и технологических отверстий.

4. Подготовка поверхности заготовки ПП осуществляется с целью: удаления заусенцев, смолы и механических частиц из отверстий после сверления; удаление оксидов, масляных пятен, захватов пальцами, пыли, грязи, мелких царапин и пр. При ручной подготовке поверхности используется наждачная бумага («нулёвка»).

5. Получение защитного рельефа - процесс переноса изображения рисунка печатных проводников на материал основания ПП. Он может осуществляться следующими способами: фотохимическим, сеткографическим, офсетной печатью, лучом лазера, паяльной маской.

6. Сушка осуществляется в сушильном шкафу.

7. Травление меди с пробельных мест - процесс химического разрушения металла (в основном меди) в результате действия жидких или газообразных травителей на участки поверхности заготовки незащищённые защитной маской (травильным резистом). Наиболее широко применяют травильные растворы на основе хлорного железа, кислые и щелочные растворы меди, растворы на основе персульфата аммония и др.

8. Удаление защитного рельефа осуществляется при помощи наждачной бумаги.

9. Получение монтажных отверстий. Применяют следующие способы получения монтажных отверстий: механический, пробивка, лазерное сверление, фотолитографии, воздействие плазмы. Наиболее широко применяют сверление и пробивку. Операция сверления обеспечивает качество токопроводящего слоя в отверстиях (d=0,1…0,4мм) путём их металлизации; точность совмещения токопроводящих рисунков схемы; брак на этой операции является необратимым.

10. Нанесение паяльной маски. Она предназначена для защиты всей поверхности ПП кроме контактных площадок от воздействия расплавленного припоя и флюса при групповых процессах пайки ЭРИ и проводники от перегрева. Паяльные маски по способу формирования рисунка бывают двух основных типов: наносимые через трафарет и фотопроявляемые. Фотопроявляемая паяльная маска бывает жидкой и сухой. Наносимая в жидком состоянии она лучше, чем сухая плёночная, защищает проводники, особенно при высокой плотности рисунка.

11. Сушка осуществляется в сушильном шкафу.

12. Лужение – покрытие спаиваемых поверхностей расплавленным припоем тонким слоем. Применяется оловянно-свинцовый припой ПОС-61 с содержанием олова 61%.

13. Отмывка от флюса. Флюс – это вещество или сплав, предназначенный для растворения и удаления оксидов с поверхности спаиваемых деталей. Отмывают специальными растворителями.

14. Маркировка ПП необходима для их идентификации в процессе изготовления, сборки электронной аппаратуры, для компьютерного считывания при учёте расхода материала и пр.

15. Контроль электрических параметров. При электрическом контроле проверяется: целостность проводников; наличие короткого замыкания между проводниками; качество изоляции.

16. Вырубка по контуру и получение крепежных отверстий. Операция обработки ПП по контуру является заключительной и необходимой для удаления технологического поля и получения заданных размеров ПП. Для обработки по контуру применяют один из следующих способов: штамповку; обработку на дисковой или алмазной пиле; фрезерование; скрайбирование механическое и лазерное.

3.4 Расчет печатной платы

Печатные платы по плотности проводящего рисунка делятся на 5 классов. Первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего рисунка; второй и третий класс характеризуются повышенной и высокой плотностью проводящего рисунка соответственно. Выбранный комбинированный позитивный метод изготовления печатной платы применяется для плат первого и второго классов точности.

Поскольку элементы печатной платы имеют средние по величине геометрические размеры, было принято решение использовать класс плотности 1.

Требования к геометрическим параметрам печатной платы выбранного класса точности представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Минимальные значения геометрических параметров печатных плат класса плотности 1

Исходя из того, что минимальный диаметр вывода элемента, устанавливаемого на печатную плату, составляет 0,5 мм, следует, что с учетом допуска 0,4 мм минимальный диаметр отверстия на плате составит 0,9 мм. Следовательно, максимальная толщина платы будет равна и составит 2,25 мм. Исходя из стандартного ряда и учитывая вышеприведенное соотношение, выберем толщину платы равной 2,5 мм.

Минимальный диаметр контактной площадки выбирают исходя из условия сохранения целостности контактной площадки при сверлении плат. B нашем случае минимальный эффективный диаметр контактной площадки D1min равен

, (3.1)

где - максимальный диаметр просверленного отверстия;

d_отв - погрешность расположения отверстия (мм), определяется как и учитывает неточности сверления станка и погрешности базирования платы на станке;

d_кп - смещение центра контактной площадки (мм), зависит от точности расположения рисунка на шаблоне, погрешности экспонирования, погрешности расположения базовых отверстий и находится как 0,095 мм;

b_m - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки.

В свою очередь , где ,

d_Мотв - диаметр металлизированного отверстия, который выбирают из ряда рекомендуемых.

D d определяется точностью изготовления сверла и его биением.

=1,47.

Минимальный диаметр контактных площадок для двусторонних печатных плат, изготавливаемых комбинированным позитивным методом, рассчитаем по формуле:

=1,574, (3.2)

где h _пм - толщина наращенной гальванической меди, h _пм=0,006 мм;

- h _ф - толщина предварительно осажденной меди, h _ф=0,05 мм;

- h _р- толщина металлического резиста, h _р=0,02 мм.

Рассчитаем минимальную ширину проводника:

,

подставляя в эту формулу значения и получим t _min=0,504 мм.

Найдем минимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне:

.

Значения, полученные при h _р =0,02 мм, указаны в таблице 3.2.

.

При h_p =0,02 мм получим t _1min=0,584 мм.

Найдем максимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне:

.

Значения, полученные при DDш=0,05 мм, Dtш=0,04 мм, указаны в таблице 2.6.

.

Получим tш max=0,524 мм.

Найдем максимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне при экспонировании

.

Значения, полученные при DЭ=0,02 мм указаны в таблице 3.3.

,

получим t_max =0,564 мм.

Таблица 3.2. - Значения диаметров отверстий

,мм	,мм	,мм	,мм	,мм	,мм
0,9	1,47	1,574	1,554	1,604	1,644

Выберем шаг координатной сетки равным 2,5 мм.

Таблица 3.3 - Таблица выбранных предельных значений технологических параметров

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 183; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!