Разработка печатной платы цифрового регулятора громкости

Для конвективного: Вт/К],

где  t_з – предполагаемая температура зоны,

t_c –температура среды,

А₂ – коэффициент теплопередачи, зависит от вида окружающей среды, для   воздуха А₂ = 1,34 (при 313 градусах Кельвина), А₂ =1,36 (при 303 градусах Кельвина).

8. Для лучевого:   s_лс = e_к 5,57×10^-8 [(t_з⁴ – t_ср⁴) / ( t_з – t_ср)]S_з

Находим суммарную тепловую проводимость:  s^I_å= s_зс + s_лс

Находим реальный перегрев корпуса: ,

Проверяем условие ïD t^I_з - D t^I_зрï< E

Если условие выполняется, то принимают  перегрев зоны: D t_з = D t^I_зр

Если условие не выполняется, то проводим расчет во втором приближении   принимая D t^II_з = D t^I_зр и повторяют начиная со второго пункта. Расчет заканчивается в том приближении, в котором выполняется условие ïD t^I_з - D t^I_зрï< E

Расчет: Первое приближение:

1. D t^I_з = 10 К
2. t^I_з = 310 + 10 = 320 К
3. t_m = 0,5 ´ (630) = 315 К
4. S_з = 2 ´ (0,14 ´ 0,07 + 0,14 ´ 3,5×10^-3 + 0,07 ´ 3,5×10^-3) = 0,02 м²
5. L = 0,057 м
6. (0,84/0,057)³ = 3200,46 Þ 10 3200,46
7. s_зс = 0,092 Вт/К,
8. s_лс = 0,132 Вт/К
9. s^I_å = 0,224 Вт/К
10. D t^I_зp = 1/0,224 = 4,46 К
11. ïD t^I_з - D t^I_зрï= |10 – 4,46| = 5,54 > E

т.к. 5,54 > E, то = 4,46 К.

Второе приближение:

1. D t^II_з = 4,46 К
2. t^II_з = 310 + 4,46 = 314,46 К
3. t_m = 312,23 К
4. S_з = 0,02 м²
5. L = 0,057 м
6. (0,84/0,057)³ = 3200,46 Þ  4,46 3200,46
7. s_зс = 0,1 Вт/К,
8. s_лс = 0,128 Вт/К
9. s^II_å = 0,228 Вт/К
10. D t^II_зp = 1/0,228 = 4,386 К
11. ïD t^II_з - D t^II_зрï= |4,46 – 4,386|  Þ 0,074 < E

т.к. 0,074 < E, то  = 314,46 К.

Реальный перегрев зоны относительно среды D t^II_зр = 4,386 К. Из расчёта видно, что дополнительных мер по охлаждению платы не нужно, так как все элементы при таком значении перегрева сохраняют свою работоспособность.

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЁТ УСТОЙЧИВОСТИ  ПЕЧАТНОГО УЗЛА К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

 

4.1 Расчет 1-ой резонансной частоты

 

Исходные данные для расчёта:

Длина платы (a) = 0,14 м;

Ширина платы (b)= 0,07 м;

r=1,85´ 10³ кг/м³-плотность материала СФ-2Н-35-1,5;

h=1,5 ´ 10^{- 3} м - Толщина печатной платы;

E=3,02 ´ 10¹⁰ Н/м²- Модуль Юнга;

m=0,22 - Коэффициент Пуассона;

U = 2g - линейное ускорение для третьей степени жёсткости.

1. Определяем цилиндрическую жесткость ПП

Н/м

2. Расчет массы ПП:

a´b´h´r = 0,14 ´ 0,07 ´ 1,5 ´ 10^-3 ´ 1,85 × 10³ = 0,027 кг.

3. Расчет массы радиоэлементов

масса микросхем   m_м = m_1м ´ n_м = 0,0015 ´ 11 = 0,0165 кг;

масса резисторов   m_р = m_1р ´ n_р = 0,00015 ´ 26 = 0,0039 кг;

масса разъемов  m_раз = m_1раз ´ n_раз =  0,005 ´ 1 = 0,005 кг;

масса конденсаторов m_к = m_1к ´ n_к = 0,0015 ´ 5 = 0,0075 кг;

масса диодов m_д = m_1д ´ n_д = 0,0005 ´ 1 = 0,0005 кг,

где m_1м – масса одной микросхемы; m_1р – масса одного резистора; m_1раз – масса одного разъёма; m_1к – масса одного конденсатора; m_1м – масса одного диода; n_м – количество микросхем на плате; n_р – резисторов; n_раз – разъёмов  n_к – конденсаторов; n_д – диодов;

Суммарная масса всех элементов m_э= 0,0334 кг.

4. Расчет резонансной частоты

f_рез=  

a=1/a² – для четырехточечного закрепления ПП

 

f_рез= Гц

Условие вибропрочности имеет вид f_рез³ 2f_max , где f_max -максимальная частота воздействующих на плату вибраций.

Устройство в данном курсовом проекте  соответствует III степени жёсткости вибронагрузок, так как для III степени f_max = 60 Гц и 481,8 Гц > 120 Гц.

 

4.2 Расчет изгибающего  напряжения при воздействии линейного  ускорения.

Максимальный прогиб при нагрузке Q = m ´ (U + g) равен:

1. Прогиб при линейном ускорении и одиночном ударе:

 

где A_z = 0,16 – коэффициент, зависящий от способа крепления. 

м.

Принимаем за прогиб балки - минимальное значение из получившихся из расчета данных:

Z_s = min{Z_aa,Z_bb};

Z_s = Z_aa = 6,83×10^-6 м.

2. Расчет изгибающего механического напряжения:

при l = a:

при l = b:

Итак, максимальное механическое напряжение под действием линейного ускорения 2g составляет 3,03×10⁵ Н/м². Это значение является допустимым так как для стеклотекстолита СФ-2Н-35-1,5 максимальное механическое напряжение, выдерживаемое материалом, составляет не менее 100´10⁶ Н/м².

 

 

 

 

 

 

5. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ  ПЕЧАТНОГО УЗЛА

 

Надежность — свойства изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатционные показатели в допустимых впределах в течении требуемого промежутка времени.

Работоспособность – это такое состояние системы, при котором она в данный момент  времени соответсвует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание всех процессов.

Отказ – событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы.

Исходные данные для расчета  показателей надежности типовых конструкции ЭВМ: принципиальная схема с указанием типов деталей, входящих в неё; режимы работы всех деталей (электрические, климатические и механические ); значения интенсивности отказов всех типов деталей при номинальных и фактических режимах, значения среднего времени без отказной работы.

По результатам анализа влияния  на работоспособность типовой конструкции входящих в неё элементов составляют структурную схему надежности. Элемент включается в эту схему, если его отказ приводит к отказу типовой конструкции.

Суммарная интенсивность отказов  типовой конструкции:

l_in_i,

где l_i - интенсивность отказов, представляет собой вероятность отказов в единицу времени.

Основной показатель надежности  восстанавливаемых изделий –  наработка на отказ Т₀ ,определяемая как среднее значение наработки между отказами.

Наработка на отказ:

T₀=1/L  

Интенсивность отказов комплектующих  элементов, являющихся их исходной характеристикой надежности, зависит от режима работы и степени тяжести таких внешних воздействии, как температура, тепловой удар, влажность, вибрации, линейные ускорения, удары, радиация и т.д.

l=l₀к1к2...к_н  

Исходные данные:

      L- интенсивность отказа всего устройства

      l_i- отказ i-ого устройства 

      l₀- интенсивность отказа

Таблица 5.1 Интенсивности отказов  для различных узлов конструкции

Элемент	Интенсивность отказа, l0 (ч-1)	Число элементов, n	n´l0
ИС	0,2´10-7	11	2,2´10-7
Конденсаторы	0,3´10-7	5	1,5´10-7
Диоды	0,12´10-7	1	0,12´10-7
Резисторы	0,1´10-7	26	2,6´10-7
Разъём (на 1 контакт)	0,2´10-7	32	6,4´10-7
Паяные соединения	0,5´10-9	353	1,76´10-7
Печатная плата (на один слой)	10-7	2	2´10-7
ИТОГО L, ч-1			1,658 ´ 10-6

Наработка на отказ:

T₀=1/L=1/1,658 ´ 10^-6 = 603136,31 ч.

Наработка на отказ 603136,31 ч., что равно 25130,67 суткам или 837,69 месяцам или 69,8 года.

 

 

 

 

 

 

6. РАЗРАБОТКА  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА  

В производстве узлов  ЭВА на печатных платах значительное место по объёму работ занимают сборочные  процессы, включающие установку навесных элементов (в том числе и микросхем) с подготовленными выводами на печатную плату, крепление навесных элементов на печатной плате, а также их электрическое соединение (монтаж) между собой.

Монтаж навесных элементов  на печатную плату

Основным методом электрического соединения (монтажа) навесных элементов  является пайка мягкими припоями. При пайке микросхем следует учитывать их конструктивные особенности: малые размеры и невысокую механическую прочность выводов, высокую чувствительность микросхем к тепловым перегрузкам.

Существует много различных  способов и типов оборудования для  пайки. Выбор способа пайки определяется конструкцией корпуса микросхем и формой его выводов. Корпуса со штырьковыми выводами запаивают в металлизированные отверстия печатных плат паяльниками, либо в специальных установках групповой пайки.

Различают три вида пайки  микросхем:

• ручная пайка паяльником. Применяется для опытного или мелкосерийного производства, где механизированные и автоматизированные методы  экономически не рациональны;
• механизированная пайка. Для неё характерны шаговое перемещение инструмента, обычно осуществляемое по программе, и прижим инструментом паяемого соединения на время пайки.
• групповая (автоматизированная) пайка.

Механизированная и  групповая пайка даёт возможность  получения электромонтажных соединений высокого качества и надёжности и  резко снижает трудоёмкость на сборочных операциях.

Подготовка  печатных плат, микросхем и других навесных элементов

 

Перед сборкой микросхем  на печатных платах их выводы подвергаются выборочному контролю на способность  к пайке. При плохом качестве выводов, они подвергаются лужению.

Гальваническое лужение  рекомендуется применять в крупносерийном и массовом производстве. При гальваническом лужении оловянно-свинцовые сплавы или олово, осаждённое на поверхность  паяных элементов оплавляют в  нагретых до 220…270^оC жидкостях (глицерине, касторовом масле и т.п.) с целью обеспечения равномерности и плотности покрытия. Процесс горячего лужения с применением флюса осуществляется: погружением в ванну с расплавленным припоем, волной припоя, электропаяльником. При лужении выводов микросхем и дискретных компонентов должны быть приняты меры по предупреждению из перегрева. Для качественного лужения применяют наиболее активные флюсы, поэтому после лужения остатки флюсов, которые могут привести к коррозии монтажных соединений, тщательно удаляют с помощью операции очистки. Заслуживают внимание проводимые в настоящее время работы по исследованию возможности бесфлюсового лужения выводов микросхем с помощью ультразвука.

Для подготовки поверхностей печатных плат к пайке применяют:

1. нанесение органических или неорганических флюсов, разрушающихся при нагреве;
2. предварительное лужение контактных площадок печатных плат.

Правильный выбор припоя и флюса при разработке технологии пайки во многом определяет качество паяных соединений.

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате проделанной работы была разработана печатная плата для  регулятора громкости. Был произведён анализ материалов и методов изготовления печатных плат. Также был произведён расчёт печатного монтажа с учётом погрешностей изготовления, в котором  было выяснено, что минимальные расстояния между печатными проводниками, проводниками и контактными площадками достаточны для гарантированной работы устройства. Расчёт характеристик печатного узла выявил, что взаимная ёмкость и индуктивность проводников не оказывают существенного влияния на работу схемы.