Разработка печатной платы цифрового регулятора громкости

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

Некоторые характеристики различных  типов слоистых пластиков представлены в таблице 1.3

Таблица 1.3 Характеристики различных  типов слоистых пластиков

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

 

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит. В данном курсовом проекте выбран стеклотекстолит марки СФ-2Н-35-1,5.

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

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

6. Выбор метода изготовления печатной платы

Все процессы изготовления печатных плат можно разделить на субтрактивные и полуаддитивные.

Субтрактивный процесс (subtraction-отнимать) получения проводящего рисунка заключается в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления.

Аддитивный процесс (additio-прибавлять) - в избирательном осаждении проводящего материала на не фольгированный материал основания.

Полуаддитивный процесс  предусматривает предварительное  нанесение тонкого (вспомогательного) проводящего покрытия, впоследствии удаляемого с пробельных мест.

В соответствии с ГОСТ 23751 – 86 конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления:

• химического для ОГЩ ГПК
• комбинированного позитивного для ДПП, ГГЩ
• электрохимического (полуаддитивного) для ДГЩ
• металлизации сквозных отверстий для МПП

Все рекомендуемые методы (кроме полуаддитивного) являются субтрактивными.

Таким образом, данная печатная плата, разрабатываемая в  курсовом проекте, будет изготавливаться на основе двустороннего фольгированного диэлектрика комбинированным позитивным методом. Этот метод дает возможность получать проводники шириной до 0,25 мм. Проводящий рисунок получают субтрактивным методом, а металлизацию отверстий осуществляют электрохимическим методом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК ПЕЧАТНОГО УЗЛА

 

В радиоэлектронных изделиях печатные проводники, электрически объединяющие те или иные элементы схемы, проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения. При большом времени переключения и малых тактовых частотах параметры печатных проводников, соединяющих выходы одних элементов со входами других, не оказывают существенного воздействие на быстродействие всей схемы в целом и на помехоустойчивость элементов.

С увеличением  быстродействия схемы всё большее  значение приобретают вопросы высокочастотных  связей между элементами. При этом обязательным становиться определение  не только параметров той или иной линии связи (сопротивления, ёмкости, индуктивности и т.д.). Это особенно важно в микроэлектронных изделиях, так как время переключения элементов составляет единицы наносекунд и плотность размещения элементов достаточно высока.

Электрические параметры элементов  печатной схемы зависят от целого ряда факторов, в большей или меньшей степени влияющих на изменение расчётных величин: режима работы схемы, применяемого для изготовления схемы материала, защитных покрытий, технологии изготовления и т. д. Комплексный учёт всех этих факторов достаточно сложен и поэтому нецелесообразен на этапе проектирования печатной схемы. Здесь необходим ориентировочный с достаточной степенью точности расчёт, который затем проверяется и уточняется после изготовления и испытания первой партии печатных схем.

Исходные данные для  расчётов:

t_п = 0,035 мм – толщина печатных проводников;

l_п = 56 мм – длина участка, на котором проводники параллельны друг другу;

b= 0,3 мм - ширина проводников;

a = 0,2 мм – расстояние между проводниками;

r = 0,0175 мкОм/м – удельное объёмное электрическое сопротивление проводника полученного методом химического травления;

n = 30 А/мм² – плотность тока для проводников полученных методом химического травления;

f = 0,15 МГц – частота переменного тока в проводнике;

y = 0,066 – коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала (указанное значение дано для меди);

x = 1,4 – коэффициент концентрации тока на углах сечения проводника.

Постоянный ток  в печатных проводниках

Постоянный ток в  печатном проводнике распределяется равномерно по его сечению при условии, что  материал проводника однороден и не имеет локальных посторонних включений других веществ.

Сопротивление проводника шириной b (мм) и толщиной t_п (мм)

 Ом.

Расчёт на допустимую плотность тока следует проводить  для узких проводников (b<1 мм), в которых ток не превышает 2 А можно не проводить.

Падение напряжения на печатных проводниках

В.

Переменный ток  в проводниках

В противоположность  постоянному току распределение  переменного тока в печатных проводниках  происходит неравномерно. Это обусловлено наличием поверхностного эффекта, возникающего при протекании по проводнику высокочастотного переменного тока.

Явление поверхностного эффекта может быть количественно  охарактеризовано эффективной глубиной проникновения тока, которая для немагнитных проводников определяется по формуле

Сопротивление наиболее распространённых в технике печатных плат плоских медных проводников  на высоких частотах

 Ом

 

2.1 Расчет потребляемой  мощности

Максимальное количество мощности схема потребляет в зависимости от типа применяемого семисегментного индикатора. Так например при использовании двух индикаторов АЛС333Б1 они потребляют мощность P_инд = 140 мВт.

Операционный усилитель К544УД2А  питается от двухполярного источника напряжения ±5В и потребляет мощность I_ОУ = 120 мВт.

Цифро-аналоговый преобразователь  К572ПА1А потребляет мощность не более  Р_ЦАП = 100 мВт так как в состав преобразователя входят токовые ключи на МОП транзисторах.

Микросхемы серии К155 ТТЛ логики потребляют не более 22 мВт каждая. Таким образом, все микросхемы серии К155 потребляют мощность не более P_К155 = 154 мВт.

Остальные элементы ввиду малого тока протекающего в схеме потребляют не более P_ост = 400 мВт.

Мощность потребляемая схемой:

P_сх = P_инд + P_ОУ + Р_ЦАП + Р_К155 + P_ост = 140 + 120 + 100 + 154 + 400 = 914 мВт

 

2.2 Расчёт ширины дорожек

Для стабильной работы печатных проводников  должно соблюдаться неравенство:

,

где  I = 0,182 А – максимальный ток протекающий через проводник;

А/мм² – допустимая плотность тока для проводников, полученных методом химического травления;

мкм – толщина проводника;

b – ширина проводника [мм].

мм

Итак, ширина дорожек должна быть больше или равна 0,19 мм. Так как минимальная ширина проводников по расчётам равна 0,284 мм, то это значит, что ширина проводников достаточна для обеспечения надёжной работы устройства.

2.3 Расчёт взаимной ёмкости и  индуктивности печатных проводников

Ёмкость между печатными  проводниками, используемыми в качестве линий связи в логических схемах (также как и индуктивность  и взаимоиндуктивность), служит источником помех, оказывающих существенное влияние  на работу аппаратуры.

Ёмкость (пФ) между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенными на одной стороне платы

пФ,

где  e_r =1 – диэлектрическая проницаемость среды (воздуха);

Ёмкость (пФ) между двумя параллельными  проводниками, расположенными по обе стороны печатной платы с толщиной диэлектрика h = 1,5 мм, при l = 2 мм.

где e_r =5,4 – диэлектрическая проницаемость платы;

Индуктивность двух параллельных печатных проводников, расположенных с одной  стороны печатной платы:

 с.

Из расчета видно, что задержка  сигнала не будет существенно  влиять на работу схемы.

 

 

 

 

 

 

 

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ  ПЕЧАТНОГО УЗЛА

 

3.1 Расчет размеров  нагретой  зоны

Определение объема деталей:

Объём микросхем:

V_м = 3´(0,02 ´ 0,00635 ´ 0,0048)+7´(0,02 ´ 0,00635 ´ 0,0048)=4,69 ´ 10^-6 м³;

Объём резисторов:

V_р=25´(3,14×10^-6´ 0,007) + (5,67×10^-7)= 1,1×10^-6 м³;

Объем диода:

V_д= 3,14 × 10^-6´ 0,002 = 6 × 10^-9 м³;

Объем конденсаторов:

V_к= 2´(0,005 ´ 0,004 ´ 0,003) + 3´(9,42×10^-7) = 2,95×10^-6 м³;

Объем разъема:

V_раз=0,054 ´ 0,008 ´ 0,008 = 3,46 × 10^-6 м³;

Общий объем деталей:

V_дет= V_м+ V_р+ V_д+ V_к+ V_раз = 1,22×10^-5 м³;

Конструкция ЭВМ является системой многих тел с неравномерно распределёнными  источниками и стоками тепловой энергии. Её температурное поле может иметь достаточно сложный характер, зависящий от распределения источников и стоков тепловой энергии, геометрии элементов конструкции и их теплофизических свойств. При построении тепловой модели упрощают элементы конструкции и идеализируют протекающие в них тепловые процессы.

 Одним из способов упрощения –  замена сложной по форме нагретой зоны элемента конструкции прямоугольным  параллелепипедом – эквивалентной  нагретой зоной с одинаковой среднеповерхностной  температурой и равномерно распределённым источником тепловой энергии. Такая замена выполняется на основании принципа усреднения. Эффективная толщина нагретой зоны:

м,

где d = 0,0015 м - толщина печатной платы;

V_дет = 1,22×10^-5 м³ - объём деталей установленных

           на  печатной плате;

L₂ = 0,014 м - длина печатной платы;

L₃ – 0,007 м - ширина печатной платы;

 

 

3.2 Расчёт среднеповерхностной  температуры зоны

Исходные данные для  расчёта:

L₁ = d_эфф = 0,0035 м;

L₂ = 0,14 м;

L₃ = 0,07 м;

e_з = 0,93 – степень черноты платы;

t_ср = 310 К – температура среды

P = 1 Вт – мощность, рассеиваемая зоной;

E = 1 К – точность вычисления температуры;

Порядок расчета:

1. Задаем перегрев зоны D t^I_з – относительно окружающей среды в 1-ом приближении (5-10 градусов Кельвина)
2. Определяем температуру зоны в 1-ом приближении: t_з = t_ср+D t^I_з [К]
3. Рассчитываем среднюю температуру между нагретой зоной и средой

t_m = 0,5(t_з+t_ср) [К]

4. Рассчитываем площадь поверхности зоны: S_з=2(L₂L₃+L₂L₁+L₃L₁), [м²]
5. Находим определяющий размер эквивалентного куба: [м]
6. Определяем вид теплового потока от зоны к среде по условию:
7. Если условие выполняется, то коэффициент теплообмена определяется по закону 1/4, иначе по закону 1/3: