Двоканальний симісторний регулятор потужності

Вступ В наш час темпи науково-технічного прогресу у суспільстві багато в чому визнають електронні прилади. Вони стали дуже розповсюдженими.

Для їх розвитку характерною ознакою стала мініатюризація та використання друкованого монтажу, призначеного для електричного з'єднання елементів на платі. Використання друкованого монтажу дає можливості заміни ручних робіт на автоматизовані роботи, з використанням машин, автоматичних ліній, що дає можливість набагато швидше виконати монтаж, та взагалі виготовити потрібні прилади. Зростає технологічність виробів.

Важливим показником є надійність елементів PEA. У зв’язку з цим широке розповсюдження отримала ідея створення методів аналізу і прогнозування надійності і якості нових виробів до запуску їх у виробництво. Це дозволяє проектувати надійні вироби, адже саме надійність і якість повинні закладатися у пристрій вже на перших етапах його розробки.

При виготовленні пристроїв потрібно забезпечувати доступ до всіх каскадів пристрою, і всі елементи повинні встановлюватися з можливістю їх заміни, щоб забезпечити легкість ремонту при виходу пристрою з ладу.

При ремонті радіоприймальної і звуковідтворювальної апаратури є дуже корисні і користуються великою популярністю компактні генератори випробувальних сигналів.

У цьому дипломному проекті буде розроблено такий двохканальний симісторний регулятор потужності для теплоінерційних навантажень, який буде відповідати вимогам сьогодення. Цей пристрій відноситься до шостої групи РЕА, тому потрібно задовольнити умову використання його в приміщенні і на відкритому повітрі. Також важливими показниками є габаритні розміри. Пристрій повинен бути портативним.

1. Аналіз існуючих розробок У радіоаматорській апаратурі можна знайти чимало описів різних регуляторів потужності та автоматичних пристроїв, що використовуються як вихідний потужний ключ триністора. Триністор в колі змінного струму незручний тим, що вимагає живлення через випрямляючий міст, і при великій потужності діоди мосту мають бути встановлені на радіатори. Більш зручний симістор.

Симістор, як і триністор, має три електроди. Його основна відмінність — можливість комутації змінного струму. Струм через симістор може протікати в будь-якому напрямку — як від анода до катода (як в триністорі), так і в протилежну сторону.

Симістори серії КУ208 при позитивній напрузі на аноді можуть включатися імпульсами будь-якої полярності, що подаються на керуючий електрод катода, а при негативній напрузі на аноді - імпульсами тільки негативної полярності.

Використання симісторів в регуляторах потужності і різних автоматичних комутаторах затрудняюче із-за необхідності забезпечення порівняно великого струму керуючого електроду — 150 мА для симісторів серії КУ208. Управління симістором постійним струмом вимагає великої потужності, а при імпульсному управлінні необхідний формувач, що забезпечує короткі імпульси у момент проходження мережевої напруги через «нуль» і має загальний висновок з одним з мережевих дротів.

В описуваному далі пристрої регулювання потужності в навантаженні здійснюється зміною числа напівперіодів мережевої напруги, що подається на неї протягом деякого інтервалу часу, тому регулятор можна використовувати для роботи лише з таким навантаженням, як, наприклад, електроплита, камін, паяльник з іншими подібними електронагрівальними приладами.

Включення симістора відбувається поблизу моменту переходу мережевої напруги через «нуль», що знижує рівень перешкод в порівнянні з регуляторами, в яких використаний фазоімпульсний метод регулювання.

Принципова схема регулятора наведена на рис. 1.1. Діоди VD1-VD2, VD3 стабілітрон, конденсатори С1-С3 та резистор R1 утворюють джерело живлення пристрою напругою близько 10 В (при максимальному вихідному струмі 18… 20 мА). Оригінальним є формувач імпульсів частотою 100 Гц, виконаний на транзисторах VT1, VT2 і резисторах R2-R4. При позитивному напівперіоді транзистор VT1, включений за схемою з загальним емітером, відкритий і насичений — напруга на його колекторі близько до емітерної (транзистор VT2 закритий). При негативному напівперіоді закрито транзистор VT1, але відкритий і насичений транзистор VT2, включений за схемою із загальною базою, і напруга на його колекторі має такий же знак і амплітуду.

Рис. 1.1 Принципова схема симісторного регулятора Лише в моменти, коли мережеве напруга за абсолютним значенням менше 40… 50 В, обидва транзистора закриті і напруга на їх колекторі близька до напруги на виводі 7 мікросхеми DD1. При цьому дозволена робота генератора імпульсів на елементах DD1.3, DD1.4. Імпульси частотою близько 5 кГц з його виходу диференціюються ланцюгом C6R8, підсилюються транзистором VT3 і включають симістор VS1.

Однак роботою цього генератора керує і генератор, зібраний на елементах DD1.1 і DD1.2. Частота формованих їм імпульсів — близько 2 Гц, а скваженість можна регулювати змінним резистором R5 від 1,01 до 100. В одному крайньому положенні движка цього резистора на навантаженні виділяється майже повна потужність, а в іншому — навантаження знеструмлена.

При напрузі низького рівня на виході елемента DD1.2 дозволена робота генератора на елементах DD1.3 і DD1.4, а при високому — заборонено. В результаті при переміщенні движка резистора R5 з одного крайнього положення в інше змінюється співвідношенням числа напівперіодів напруги мережі, що подаються і не подаються на навантаження, підключеного до гнізда Х1. А так як одному періоду роботи керуючого генератора відповідає близько 50 напівперіодів мережевої напруги, дискретність регулювання дорівнює приблизно 2%. Всі елементи цього варіанту регулятора, крім симістора VS1, змонтовані на друкованій платі розмірами 62,5×50 мм (рис. 1.2). Плата розрахована на установку резисторів МЛТ, конденсаторів К73−16 (С1), К50−6 (С3), КМ-6 (решта), змінний резистор (R5) СП3−4АМ або СП3−2бМ. Діоди VD1, VD2, VD4 і VD5 — малопотужні кремнієві, стабілітрон VD3 — на напругу стабілізації 10… 12 В. Мікросхема К561ЛЕ5 замінима на К176ЛЕ5 або КР1561ЛЕ5. Транзистори VT1 ??і VT2 можуть бути будь-якими кремнієвими малопотужними структури pnp, транзистор VT3-середньої або великої потужності структури np-pn з допустимим колекторним струмом 150 мА.

Конденсатор К73−16 (С1) можна замінити на будь метало плівкові ємністю 0,33… 0,68 мкФ на номінальну напругу не менше 250 В або на паперовий або метало плівкові такої ж ємності на номінальну напругу не менше 400 В. Корпус резистора R5 повинен бути з'єднаний з плюсовим провідником ланцюга живлення мікросхеми, що необхідно для його екранування. Симістор КУ208Г (або КУ208В) встановлений на штирьовий тепловідвід розмірами 80×60×20 мм.

Симістор доцільно перевірити на значення струму випрямлення, включивши його за схемою, наведеною на рис. 1.2. Напруга живлення анодного ланцюга симістора має відповідати номінальному для лампи розжарювання EL1, розрахованої на робочий струм не менше 150 мА. Плавно збільшуючи струм керуючого електрода симістора (резистором R1), вимірюють його значення безпосередньо перед включенням лампи. Паспортне значення струму випрямлення при кімнатній температурі дорівнює 150 мА. Для регулятора слід підібрати симістор зі струмом випрямлення не більше 70 мА.

Рис. 1.2 Схема включення симістора при його перевірці

Налагоджують регулятор наступним чином. Паралельно конденсатору С1 під'єднують резистор опором 220… 330 Ом і підключають пристрій замість мережі до зовнішнього джерела постійного струму напругою 12… 15 В. Його підбирають таким, щоб струм був близько 20 мА. Встановивши движок резистора R5 в середнє положення, за допомогою осцилографа або головних телефонів (що дуже зручно) контролюють на резисторі R9 наявність пачок імпульсів частотою близько 5 кГц і періодом повторення пачок близьким до 0,5 с. При переміщенні движка змінного резистора тривалість пачок повинна змінюватися практично від нуля до безперервної послідовності імпульсів.

Потім знімають додатковий резистор, до гнізда Х1 підключають настільну лампу (установка симістора на тепловідвід не обов’язкова) і на регулятор подає напруга мережі. При переміщенні движка резистора R5 лампа повинна спалахнути з частотою близько 2 Гц, а тривалість її спалахів — змінюватися від нуля до безперервного світіння Наступний пропонований симісторний регулятор потужності (рис. 1.3) можна використовувати для регулювання активної потужності нагрівальних приладів (паяльника, електричної печі, плити та ін.) Для зміни яскравості освітлювальних приладів його використовувати не рекомендується, тому що вони будуть сильно блимати. Особливістю регулятора є комутація симістора в моменти переходу мережевої напруги через нуль, тому він не створює мережевих перешкод Потужність регулюється зміною числа напівперіодів мережевої напруги, що надходять в навантаження.

Синхрогенератор виконаний на базі логічного елемента ВИКЛЮЧАЄ АБО DD1.1. Його особливістю є поява високого рівня (логічної «1») на виході в тому випадку, коли вхідні сигнали відрізняються один від одного, і низького рівня («О») при співволодінні вхідних сигналів. В результаті цього «Г з’являється на виході DD1.1 тільки в моменти переходу мережевої напруги через нуль. Генератор прямокутних імпульсів з регульованою шпаруватістю виконаний на логічних елементах DD1.2 і DD1.3. З'єднання одного з входів цих елементів з живленням перетворює їх в інвертори. У результаті виходить генератор прямокутних імпульсів. Частота імпульсів приблизно 2 Гц, а їх тривалість змінюється резистором R5.

Рис. 1.3 Схема електрична принципова та зовнішній вигляд плати симісторного регулятора потужності.

2. Розробка технічного завдання Найменування пристрою: двохканальний симісторний регулятор потужності для теплоінерційних навантажень.

Призначення пристрою: дозволяє підтримувати необхідну температуру для різних навантажень: температури жала паяльника, електропраски, електрообігрівача, електроплити та ін.

Мета і призначення розробки:

Метою розробки є створення двохканального симісторного регулятора потужності для теплоінерційних навантажень, який має відповідати сучасним вимогам.

Призначення розробки — створення конструктивно закінченого друкованого вузла, придатного до виробництва.

Двохканальний симісторний регулятор потужності для теплоінерційних навантажень належить до групи РЕА-6 тому повинен працювати при таких умовах:

— при температурах від 233 до 333 К;

— відносній вологості повітря 93% при 298 К;

— при атмосферному тиску від 61 кПа.

Виріб призначений для дрібносерійного виготовлення. Комплектність — один друкований вузол.

Габаритні розміри плати пристрою повинні бути не більше:

— довжина — 60 мм;

— ширина — 50 мм.

Маса пристрою приблизно становитиме 160 г. Конструкція пробника-генератора НЧ повинна забезпечувати:

· зручність експлуатації;

· ремонтопридатність та взаємозамінність елементів при ремонті;

· доступ до всіх елементів, що вимагають регулювання чи заміни в процесі експлуатації.

2.2 Технічні характеристики

— Глибина регулювання становить 5… 95%

— Схема регулятора живиться випрямленою напругою 9… 11В;

— Трансформаторна розв’язка від мережі 220 В;

2.3 Вимоги до надійності

Показники надійності повинні відповідати заданим значенням при нормальних кліматичних умовах.

Середній наробіток на відмовлення, не менш 10 000 год.

Імовірність безвідмовної роботи треба оцінити для Р = 0,8.

Пристрій повинен витримувати вплив зовнішніх механічних і кліматичних факторів відповідно до ГОСТ 11 478–88 для групи РЕА-6:

· удари (ф) — 5−10 мс;

· удари (а) — 98 м/с;

· удари (н) — 40−80 мін-1;

· вібрація, fн. fв, 10…70 Гц;

· віброприскорення (а) — 37 м/с2;

· додаткові умови: виникнення інея і роси, дощу, повітряно-пилевого потоку.

Якщо пристрій вийде з ладу, то після ремонту він повинен зберігати свої характеристики і не змінювати їх при заміні ЕРЕ аналогічними.

Параметри пристрою повинні контролюватися за допомогою стандартних вимірювальних приладів (осциллограф, вольтметр, амперметр або тестер універсальний) обслуговуючим персоналом не вище середньої кваліфікації.

3. Проектування конструкції РЕЗ

3.1 Аналіз схеми електрично принципової

Схему електричну принципову двохканального симісторного регулятора потужності для теплоінерційних навантажень, яка не має перерахованих недоліків, зображено на рис. 3.1.

Рисунок 3.1. Схема електрична принципова двохканального симісторного регулятора потужності для теплоінерційних навантажень Кожен з двох аналогічних регуляторів містить генератор на DD1.1 і DD1.2 (DD1.3 і DD1.4), реле К1 (К2), симісторов VS1 (У82), задатчиків температури R1 (R2), емітерних повторювачів на VT1 та індикаторів робочої температури HL1 (HL2).

Дана схема може обслуговувати два незалежні навантаження (підключаються до роз'ємів ХТ1-ХТ2 і ХТЗ-ХТ4) потужністю до 1 КВт кожна. При встановленні більш потужних симісторів потужність підключаємих пристроїв може бути збільшена, але при цьому симістори повинні бути встановлені на окремих радіаторах.

А тепер детальніше. Всі резистори МЛТ 0,25 і МЛТ-1 (R8-R11), конденсатори плівкові (С1, С2) типу К73 номіналом 2,2 мкФ. Резистори R1, R2 (задатчики необхідної температури) типу СПЗ-9А номіналом 2,2… 4,7 МОм. Реле К1, К2 типу РКГ15 (паспорт 301−21, 301−11), РЕС10 (паспорт 302, 305) або інше малопотужне. Світлодіоди HL1-HL3 червоного кольору світіння будь-якого типу.

Замість діода КД510А можна застосувати КД522А. В якості симісторів VS1, VS2 використані КУ208Г, 2У208Г, замість яких можна застосувати ТС2−10, ТС 112−10−6, а також ТЗ 106−10−6, розводка якого відрізняється від вказаних.

Пропонована схема не створює перешкод, але підключати всі симістори необхідно так, щоб їхні корпуса обов’язково були на боці навантажень каналів. Транзистори VT1, VT2 можна замінити КТ3102, КТ342 з будь-якими літерними індексами. Діоди КД105 В (VD1, VD2) можна замінити КД105Б, КД105Г При використанні робочих деталей пристрій починає працювати відразу. При налагодження та експлуатації регулятора необхідно дотримуватися правил безпеки.

3.2 Вибір і обґрунтування елементної бази Конденсатор E5R

Рисунок 3.2 — Конденсатор E5R

Параметри конденсаторів E5R.

Конденсатори типу К73−17

Рис. 3.3 Зовнішній вигляд конденсатора та його розміри Характеристики та розміри плівкового конденсатора

Транзистори КТ315Г Рис. 3.4 Транзистори КТ315Г

Uкбо — Максимально допустима напруга колектор-база

Uкбои — Максимально допустима імпульсна напруга колектор-база

Uкэо — Максимально допустима напруга колектор-емітер

Uкэои — Максимально допустима імпульсна напруга колектор-емітер

Iкmax — Максимально допустимий постійний струм колектора

Iкmax і - Максимально допустимий імпульсний струм колектора

Pкmax — Максимально допустима постійна розсіювана потужність колектора без тепловідводу

Pкmax т — Максимально допустима постійна розсіювана потужність колектора з тепловідводом

h 21э — Статичний коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора в схемі із загальним емітером

Iкбо — Зворотний струм колектора

fгр — гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі із загальним емітером Симістори КУ208

Рис. 3.5 Симістори КУ208

Параметри Симістори КУ208

Діоди КД510

Мікросхема К561ЛП2 (А) — містить 4 елементи «Що виключає АБО». Логіка роботи елементів наведена в таблиці.

Таблица істинності елеменів К561ЛП2:

L — рівень (0), H — високий рівень

Рис. 3.6 Мікросхема К561ЛП2 з корпусом мікросхеми DIP-14

Технічні характеристики мікросхеми К561ЛП2

Світлодіоди АЛ307

Рис. 3.7 Світлодіоди АЛ307

Параметри світло діодів Ал307

Реле WJ118

Рис. 3.8 Розміри реле WJ118

Основні характеристики

· Виробник: Компел — офіційний дистриб’ютор Wenzhou Wanjia Electric Equipment Co. Ltd

· застосування — Силове

· Тип контактів — 1C

· Напруга котушки — 9 VDC

· Потужність котушки — 600 мВт

· Комутований струм DC (макс) — 20 А

· Комутоване напруга DC (макс) — 14 В

· Комутований струм AC (макс) — 5 А

· Комутоване напругу AC (пікове) — 250 В

· Напруга ізоляції котушка-контакти — 500 В

· Спосіб підключення виводів — в отвори на плату

· Робоча температура — −40… +85 ° C

· Розмір -15.2×12.2×13.8 мм

· Особливості - бризгозахист Резистори PV36W

Рис. 3.9 Резистори PV36W

Основні характеристики PV36W

Діапазон опорів: — Температурний коефіцієнт опору: ± 100 ppm / K — Діапазон робочих температур: −55… +125 ° С Резистори типу МЛТ Рис. 3.10 Резистори типу МЛТ

Габаритні розміри резисторів типу МЛТ Параметри резисторів типу МЛТ

Діоди КД105 В Рис. 3.11 Розміри діодів КД105 В Основні технічні характеристики діодів КД105 В Зводимо усі отримані дані для ЕРЕ у таблицю

Звідна характеристика обраної елементної бази

3.3 Вибір і огрунтування матеріалів конструкції

Компоненти на платі повинні бути розміщенні найраціональніше, щоб вони займали якомога меншу площу на основі. Від цього залежать габарити друкованої плати, а отже і габаритні розміри всього пристрою. Всі ЕРЕ на платі за допомогою нерозривних електричних з'єднань об'єднуються в один пристрій. Конструкція електричних з'єднань практично визначає ефективність і якість усієї конструкції. Cпособи реалізації електричних з'єднань можна реалізувати за допомогою друкованого монтажу або з використання об'ємних дротів.

Друкований провідник має велике відношення ширини до товщини перерізу, завдяки чому площа перерізу провідника велика, що наряду з хорошим тепловим контактом з ізоляційною основою забезпечує інтенсивну віддачу тепла від провідника ізоляційній платі і в навколишній простір, а це дозволяє пропускати через друковані провідники значно більші струми, ніж через об'ємні того ж перерізу.

Друкована плата з встановленими на ній ЕРЕ називається друкованим вузлом, а система електричних з'єднань у вигляді ділянок металевого покриття, що використовуються замість об'ємних провідників — друкований монтаж.

Основні характеристики матеріалів основи

Для виготовлення плати обираємо односторонній фольговий склотекстоліт СФ-1−1,5−50 ГОСТ 12 652–80 з товщиною мідної фольги 50 мкм, що використовується для виконання друкованих провідників. Цей матеріал є якісним діелектриком, має високу механічну та термічну міцність, стабільність параметрів, великий діапазон робочих температур і тому краще ніж інші підходить для даної плати.

Надійність експлуатації приладу у значній мірі визначаються конструкцією контактів і технологією їх реалізації у виробництві. Основне призначення контактних з'єднань — передавання енергії від одного провідника до іншого. До того ж, контакт є елементом конструкції, який призначено для кріплення елементів, точкою випробування схеми та каналом передавання тепла.

Для виготовлення приладу використовуємо нероз'ємні контактні з'єднання. Нероз'ємні контактні з'єднання є найбільш розповсюдженими з-за їх високої надійності, малих габаритів і низької вартості. Нероз'ємні контактні з'єднання реалізуються пайкою, зварюванням і приклеюванням.

Для кріплення ЕРЕ до плати застосовуємо припій. Припій — це сплав металів, призначений для з'єднання деталей і вузлів методом пайки.

Отже всі з'єднання на платі виробляємо друкованим провідником. Тип плати — однобічна друкована плата. За основу плати взято однобічний фольгований склотекстоліт з товщиною мідної фольги 50 мкм. Спосіб отримання електричних з'єднань між радіоелементів і друкованими провідниками забезпечується паянням.

3.4 Попередня компоновка і розробка конструкції

Компоновкою називається процес розміщення ЕРЕ, деталей, радіоелектронних приладів та інших складових частин на поверхні або в просторі з визначенням основних геометричних форм та розмірів. Розрізняють кілька рівнів компоновки апаратури: мікросхем і інші ЕРЕ на платі, плат в блоці тощо. В цьому процесі отримуємо попередній компоновочний ескіз.

Компоновка дозволяє оцінити електромагнітні, теплові зв’язки, основні конструкторсько-технологічні рішення, масо-габаритні і надійності параметри, форму виробу, його сумісність з людиною-оператором. Компоновочні документи і характеристики дозволяють оцінити якість і надійність виробу і порівняти його з аналогами.

Основні критерії компоновки — це мінімізація довжини і кількості електромонтажних зв’язків кількості вихідних контактів, енергоспоживання.

Критерії мінімізації довжини і кількості електромонтажних зв’язків необхідні для оцінки мір по забезпеченню надійності, як у частині перешкодозахищеності, так і у частині раптових відмов (зменшення кількості контактів).

ДП, що розробляється, рекомендується виконувати квадратної і прямокутної форми. При конструюванні ДП використовується координатна сітка з основним кроком 2,5 мм і з додатковим кроком 0,5 мм. Центри монтажних і перехідних отворів повинні бути розташовані у вузлах координатної сітки.

При розміщенні провідників на ДП необхідно:

— раціонально розміщувати провідники, не створювати вузьких місць;

— рекомендується використовувати отвори під вільні (не включені у схему) виводи багатоконтактних навісних елементів (типа колодок, роз'ємів, мікромодулів та ін.) для прокладання провідників під цими елементами;

— розсовувати провідники у місцях виходу із вузьких місць і збільшувати їх ширину до значень, які відповідають ширині провідників у вільних місцях. Довжину провідників у вузьких місцях по можливості обмежувати;

— перевіряти розміщення провідників з метою зменшення кількості вузьких місць і можливості прокладання провідників по більш зручному короткому шляху.

Рекомендується витримувати відстань між краєм провідника і краєм плати рівною товщині матеріалу з урахуванням допуску на габарити плати.

На кожній платі необхідні не менше двох технологічних отворів, які розташовані у вузлах координатної сітки. За технологічні отвори можливо обирати кріпильні отвори.

Пристрій будемо виготовляти у вигляді друкованого вузла розміром 86 мм Ч 90 мм. Резистори, мікросхеми і конденсатори розміщуємо на комутаційній основі і монтуємо у отвори методом паяння. Попередній вигляд компоновки друкованого вузла зображено на рис. 3.12.

Рисунок 3.12. Складальне креслення двоканального симісторного регулятора потужності для тепло інерційних навантажень Рис. 3.13 Друкована плата пристрою.

3.5 Розрахунок конструктивно-технологічних параметрів плати Так як пристрій буде виконаний на друкованій платі, то при її розробці будемо керуватись визначеними стандартними конструкторськими критеріями: у результаті чого визначаються габарити плати і щільність друкованого монтажу, тобто визначається метод і необхідний клас друкованої плати.

Розміри друкованого вузла — 86 мм * 90 мм.

Параметри, що визначають щільність монтажу в залежності від методів виготовлення, підрозділяються на: «1» і «2» — понижена щільність; «З», «4», «5» — підвищена щільність. Понижена щільність монтажу може використовуватись на платах будь-яких габаритів, а підвищена щільність — тільки на малогабаритних платах.

Для розробляємого пристрою обираємо 1-й клас щільності монтажу, однобічну друковану плату, матеріал основи — склотекстоліт, матеріал провідників — мідь з товщиною 50 мкм.

Розрахунок елементів друкованих плат складається із конструкторськотехнологічного розрахунку й розрахунку по постійному струму.

Ціллю конструкторсько-технологічного розрахунку є визначення геометричних розмірів основних елементів з урахуванням виробничих похибок рисунка провідників, фотошаблонів, базування, свердлення та інше. Розрахунок по постійному струму — це отримання обмежень на ширину сигнальних провідників, шин живлення і землі по критеріям допустимого падіння напруги на опорі провідника й щільності протікаючого струму.

Результати конструкторсько-технологічного розрахунку й розрахунку по постійному струму використовуються в якості обмежень при проектуванні плат.

Визначаємо мінімальну ширину друкованого провідника по постійному струму для ланцюгів заземлення і живлення, мм:

(3.1)

е I_max — максимальний постійний струм у провіднику (визначається із аналізу електричної схеми 3,5 мА)

I_доп — допустима щільність струму, обирається у залежності від метода виготовлення — 15 А/мм²

h_ф — товщина провідника — 50 мкм.

=3,5/(15· 50)=0,005 мм.

Визначаємо мінімальну ширину друкованого провідника, виходячи із допустимого падіння напруги на ньому, мм:

(3.2)

де питомий опір — 0,050 Ом· мм²/м

I_max — максимальний постійний струм у провіднику — 3,5 мА

l — довжина провідника — 60 мм

h_ф — товщина провідника — 50 мкм

U_доп — допустиме падіння напруги, яке визначається з аналізу схеми — 0,3 В

t_min=0,050· 3,5·0,06/(50·0,3)=0,0007 мм.

Для даної плати вибираємо перший клас точності, який характеризується наступними номінальними значеннями основних розмірів: ширина друкованого провідника t = 0,75 мм, відстань між краями сусідніх елементів провідникового рисунку S = 0,75 мм, гарантійний поясок b = 0,3 мм тощо.

Діаметри монтажних отворів, контактних площадок і мінімальна відстань між центрами отворів вибрані з ряду рекомендованих по ОСТ 4.070.010−75 і занесені до таблиці 3.8.

Таблиця 3.8 — Діаметри отворів згідно ОСТ 4.070.010−75

Для кожної контактної площадки повинна виконуватися умова D>D_min, де D — діаметр контактної площадки вибраної з ряду рекомендованих по ОСТ 4.070.010−75.

D_min — найменший номінальний діаметр контактної площадки, який розраховується за формулою:

(3.3)

де діаметри монтажних отворів верхнє граничне відхилення діаметру отвору згідно ГОСТ 23 751–86,

гарантійний поясок, верхнє граничне відхилення діаметру контактної площадки і ширини провідника (ГОСТ 23 751−86),

значення підтравлення діелектрика у отворі (),

значення позиційного допуску розташування осей отворів у діаметральному вираженні (ГОСТ 23 751−86),

значення позиційного допуску розташування центрів контактних площадок у діаметральному вираженні (ГОСТ 23 751−86),

нижнє граничне відхилення діаметру контактної площадки ста ширини друкованого провідника (ГОСТ 23 751−86),

Для виводів ЕРЕ з діаметром d = 0,6 мм для першого класу точності маємо: мм, мм, мм, мм,, мм, мм, мм.

мм.

тобто — отже умова виконується.

Для виводів ЕРЕ з діаметром d = 1 мм для першого класу точності маємо: мм, мм, мм, мм,, мм, мм, мм.

мм.

тобто — отже умова виконується.

Конструкторсько-технологічний розрахунок ширини друкованих провідників

Номінальне значення ширини провідника у вузькому місці для першого класу точності:

(3.4)

де t — ширина друкованого провідника нижнє граничне відхилення діаметру контактної площадки та ширини друкованого провідника (ГОСТ 23 751−86).

мм.

Номінальне мінімальне значення ширини провідника у вільному місці для першого класу точності розраховується за формулою (3.4) але t подвоюється:

мм.

Номінальна відстань між сусідніми елементами друкованого монтажу

(3.5)

де S — відстань між краями сусідніх елементів провідникового рисунку верхнє граничне відхилення діаметру контактної площадки та ширини друкованого провідника (ГОСТ 23 751−86).

мм.

Згідно ГОСТ 23 751–86 допустима напруга склотекстоліту складає 250 В.

симісторний регулятор плата

4. Забезпечення надійної роботи пристрою

4.1 Захист конструкції від механічних дій Віброміцність до дії механічних факторів — це здатність конструкції виконувати функції і зберігати значення параметрів в межах норм, що встановлені стандартами, після дії механічних факторів.

Оцінку віброміцності конструкції нашого приладу проведемо по частоті вільних коливань.

Потрібні дані для розрахунків:

— розмір плати 86 мм Ч 90 мм;

— матеріал — склотекстоліт СФ-1−1,5−50;

— щільність — с = 1,85 г/см³;

— модуль пружності - Е = 32•10⁹ Н/м²;

— коефіцієнт Пуансона — е = 0,22;

— маса елементів на платі 73,44 г;

— площа основи S=1935 мм².

За методом Релея частота вільних коливань основного тону навантаженої пластини має вигляд:

Гц

де — коефіцієнт, що характеризує залежність частоти вільних коливань пластини від краєвих умов і розраховується за формулою:

в = 92 / 86 =1,05

m_E i m₀ — приведені до площі плати маси елементів і пластин;

m₀ = (с•V)/S =(1,85•10³•3•10^-6)/1935•10^-6 м² = 2,8 кг/м

m_ел = 53,1•10^-3/1935•10^-6 м² = 27,4 кг/м

a — більша сторона пластини;

D — жорсткість пластини на вигін (циліндрична жорсткість) де Е — модуль пружності;

е — коефіцієнт Пуансона;

h — товщина пластини.

І тоді частота вільних коливань основного тону навантаженої пластини має вигляд:

Розрахована частота вільних коливань не перевищує допустиме значення, задане в таблиці для шостої групи РЕА, яка становить 10…70 Гц., а це означає що потрібно поставити підсилювач, для надійнішої роботи приладу.

4.2 Захист конструкції від температурних дій Серед активних елементів схеми найбільше навантаження по струму припадає на мікросхему.

Тому розраховуємо перегрів поверхні мікросхеми К561ЛП2.

Визначаємо еквівалентний коефіцієнт теплопровідності модуля, у якому розташована мікросхема при відсутності теплопровідних шин, л_екв = л₀.

де л₀ — теплопровідність матеріалу основи плати. Для склотекстоліту

л₀ = 0,24…0,34 Вт/м•К. Вибираємо л₀ = 0,25 Вт/м•К.

Визначаємо перегрів поверхні корпуса мікросхеми для даної плати:

^оС де — емпіричний коефіцієнт для корпусів (1,14),

— коефіцієнт тепловіддачі від корпусів сусідніх елементів визначається по графіку методичного посібника (k_а = 27 Вт/м² К);

— потужність, що розсіюється мікросхемою, 0,1 Bт;

— площа поверхні мікросхеми (256);

— площа основи мікросхеми (102);

— коефіцієнт тепловіддачі від корпуса мікросхеми -27 Вт/м²К.

Визначаємо температуру поверхні корпуса мікросхеми:

t_DA1 = t_B + ?t _DA1,

де t_B — максимальна температура оточуючого середовища — t_B = 50⁰С;

?t _DA1 — перегрів поверхні корпуса мікросхеми.

t_DA1 = 50 +27,4 = 77,4 ⁰С Допускається 80 ⁰С порівнявши ці два значення можна зробити висновки, що друкований вузол не відноситься до теплонавантажених.

4.3 Захист конструкції від вологи і дії пилу Розглянувши фактори впливу оточуючого середовища, робимо висновки, що розробляємий прилад в залежності від умов експлуатації повинен бути захищеним захищений і володіти гарними:

від кліматичного впливу оточуючого середовища — вологостійкістю, теплостійкістю, холодостійкістю, стійкістю до зниженого або підвищеного тиску, пилостійкістю, захищеністю від і інею, сонячної радіації, іонізуючого випромінювання;

від механічного впливу — вібростійкістю, віброміцністю, удароміцністю, вітроміцністю, стійкістю до лінійних і відцентрових прискорень;

від біологічного впливу оточуючого середовища — грибостійкістю, стійкістю до кома і гризунів.

Заходи впливу оточуючого середовища на радіоелектронну апаратуру треба визначити для кожної групи апаратури граничними нормами експлуатації при максимальному (або мінімальному) допустимому значенню фізичних параметрів. Ці норми є критеріями для перевірки конструкції апаратури в процесі її типових іспитів; вони ж визначають і особливості конструкції кожної групи.

Для нормальної роботи під час дії факторів оточуючого середовища у даному пристрої передбачені такі засоби захисту:

— на плату з ЕРЕ наносимо плівкове покриття (емаль), що утворює на її поверхні тонкий і неперервний шар лаку. Він захищає усі матеріали від проникнення в їх пори вологи і збільшує міцність ізоляції. Для захисту плати і елементів від вологи використовують різні лакофарбові матеріали і покриття визначається умовами експлуатації, матеріалом покриваємого виробу, якістю і кольором його поверхні, міцністю і твердістю покриття що вимагається, допустимою температурою сушки виробу.

Проаналізувавши умови експлуатації та вимоги, які ставляться до плати що розробляється, ми дійшли висновку, що в якості захисту для плати буде використовуватися лак DCA200H ТУ 2311 -396−5 763 441 -2003. Даний лак має стійкість до води і володіє електроізоляційними властивостями. Робочий інтервал температур — від -60 до +60 С.

Сучасні ЕРЕ підібрані з таким робочим діапазоном, що взмозі нормально працювати при зазначених зовнішніх діях.

4.4 Оцінка надійності і якості пристрою Надійність — це властивість виробу виконувати всі задані функції у зазначених умовах експлуатації при зберіганні значень основних параметрів у встановлених межах. Надійність залежить від кількості і якості елементів, що входять до його складу. Вважається, що вона характеризується такими показниками:

— Інтенсивність відмов л визначає, яка частина всіх виробів виходить з ладу за 1 годину роботи. Вона залежить від температури, вологості, механічних дій, тиску і електричних навантажень. Якщо прилад складається з n різних елементів, то л= л₁+ л₂+…+ л_n+ л _плати + л _{з'єднань}, де л₁, л₂, л_n, л _плати, л _{з'єднань} — інтенсивність відмов елементів схеми, друкованої плати та з'єднань.

— ймовірність безвідмовної роботи Р=е^{- лt}_, де л — інтенсивність відмов пристрою, t — час.

— час безвідмовного відпрацювання Т=1/ л.

Елементи, які я використав для пробника-генератора, мають табличні індивідуальні показники надійності, що характеризуються лабораторними умовами експлуатації пристрою, яким відповідає єдиний результуючий довідниковий коефіцієнт k_л=2,85.

Взявши потрібні дані з таблиць методичного посібника, проводимо необхідні розрахунки для інтенсивності відмов кожного елемента за допомогою програми Excel. В поле «інтенсивність відмов (табличне)» та «поправочний коефіцієнт (табличне)» вводимо дані з таблиці і в полі «реальна інтенсивність відмов» отримуємо потрібні для розрахунків дані для одного ЕРЕ.

З розрахунків бачимо, що вірогідність безвідмовної роботи за 42 000 годин складає Р=0,81. За 42 000 годин це дуже гарний показник. Середній наробіток до першої відмови складає 215 858 годин. Таким чином можна зробити висновки, що спроектований пристрій є надійним у роботі на довгий строк.

5. Розробка технологічних процесів виготовлення пристрою

5.1 Структурна схема процесу виготовлення

Рис. 5. 1 — Структурна схема тех. процесу виготовлення друкованих плат

Рисунок 5.2- Структурна схема складання друкованого вузла

5.2 Технологічні операції і обладнання для виготовлення друкованої плати При виборі метода виготовлення ДП необхідно враховувати електричні параметри схеми, кліматичні і механічні вимоги до конструкції, умови експлуатації з обов’язковим урахування: економічних факторів виготовлення плат даним методом. Кожен із методів виготовлення ДП має свою собівартість і відповідно забезпечує різну надійність апаратури.

Основні відміни між цими методами з точки зору конструювання виробу — це можливість розміщення друкованого монтажу з одного або з двох боків плати і у щільності друкованого монтажу, яку дозволяє отримати той чи інший метод.

Розміщення друкованого монтажа. Комбінований метод може бути рекомендован для однобічного і двобічного розміщення друкованого монтажу.

Хімічний метод може бути рекомендован для однобічного розміщення друкованого монтажу.

Для створення (формування) захисного рисунка схеми існує багато способів але най поширені три:

1) Фотографічний — використання різних видів актинічного випромінювання для експонування світлочуттєвих матеріалів, нанесених на основу друкованої плати;

2) Офсетний (друкований) — виготовлення офсетних форм та друкування з їх допомогою позитивного, або негативного зображення рисунка на заготовці друкованої плати;

3) Сіткографічний (трафаретний або сітковий друк) — використовують для друкування позитивного або негативного зображення рисунка друкованої плати сітчастим трафаретом.

Фотографічний друк у виробництві друкованих плат знаходить більш широке використання у наслідок високої дозволяючої здатності і точності відтворення рисунку схеми. Процес фотографічного друку складається з наступних основних операцій:нанесення фото резистору на поверхню заготовки експонування крізь шаблон, проявлення рисунку, контролю якості рисунку, видалення фоторезистору.

Нанесення фоторезисту є дуже важливою операцією так як від цього в

великій мірі залежить стан фоторезисту при наступних операціях і якість рисунка. Метод нанесення визначається перш за все типом фоторезисту.

Широке застосування мали фоторезисти на основі полівінілового спирту з домішком біхромату аммонія— негативний фоторезист з дозволяючою здатністю до 50 ліній на мм.

Також велике застосування мали позитивні фоторезисти на основі діазоз'єднаннь з дозволяючою здатністю 400 ліній на мм. Відомі фоторезисти на основі акрилових полімерів так звані холодні емалі та на основі синтетичних циклокаучуків.

Найбільш трудоемкий та складний процес у механічний обробки друкованих плат це отримання отворів під виводи елементів.

Сучасне свердлильне устаткування для друкованих плат має велику кількість шпинделів; високу швидкість їх подачи та частоту обертання; спрощені методи фіксації плат на столі та їх суміщення; автоматизацію зміни свердл; велику швидкість привода; системи, що передбачають свердлення отворів по незапрограмованої координаті з повторним свердлення по колишній координаті; керування від ЕВМ. Для свердлення отворів використовується. Установка «Місготіс-5» .Видалення оксидного шару товщиною не менш 0,5 мм проводять механічною очисткою крацевальними щітками або абразивними валками. До якості очистки фольгованої поверхні пред’являють високі вимоги, тому що від цього залежать адгезія фоторезисту та якість рисунка схеми. Для очистки поверхні використовують автоматичну конвеєрну лінію хімічної підготовки поверхності плати КМ-601. Автоматична лінія складається з слідуючих модулів: знежирення, промивка у гарячій воді, обробка у хромовому ангідриді, промивка у проточній воді, декапірування з промивкою у проточній воді, сушка гарячим повітрям. Принцип роботи лінії — безперервне переміщення заготовок з одночасною обробкою їх поверхні струменями. рідини Для нанесення рідкого фоторезисту на поверхню заготовки використовують наступні способи: центрифугування, занурення і рівномірне витягування заготовки із розчину, змочування валиками, пульверизація у електростатичному полі.

В останній час рідинні фоторезисти все менш використовуються, замість їх використовують сухі плівкові фоторезисти (СПФ). СПФ уявляє собою згущений розчин фотополімеризуючої композиції, замкнутий між двома поліетиленовими або лавсановими плівками товщиною 25 мкм. Нанесення плівкових фоторезистів на поверхню заготовки здійснюється установкою АРМС.3.298.006 прокатуванням плівки до поверхні за допомогою валика.

Для отримання рисунку схеми необхідний фотошаблон, який виконують по оригіналу рисунка друкованої плати. Оригінал — креслення рисунка схеми, виконаний, як правило, у позитивному відображенні. Виготовлення оригіналів роблять кресленням, наклеюванням липкої стрічки, різанням по емалі.

Фотоекспонування проводиться на установці «PRINTER» для того щоб сумістити фотошаблон з заготовкою друкованої плати та засвітити фоторезистор за допомогою ртутних ламп. Для проявлення рисунка застосовують метилхлороформ під дією якого руйнується та видаляється неопромінений фоторезист. Ця операція виконуються на комплексі модулів КМ- 401.

Для процесу травлення міді використовують розчини на основі хлорного заліза, персульфату амонію, хлорної міді, хромового ангідриду, перекису водню. З перелічених розчинів найбільш розповсюджені розчини на основі хлорного заліза.