Дипломная работа: Блок контролю та управління пристрою безперебійного живлення ПБЖ-12

ТІ СНУ

Факультет КІ Кафедра ЕА

Спеціальність 7.091.003 "Електрона побутова апаратура"

ЗАВДАН НЯ

на дипломний проект студента

Данілейченко Катерини В’ячеславівни

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

2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 20.06.2010

3. Вихідні дані до проекту. Схема електрична принципова; перелік елементів; технічне завдання на розробку; кліматичні умови експлуатації блоку (температура повітря від +5 до +60^о С, вологість повітря до 95%, атмосферний тиск від 84 до 107кПа); габаритні розміри друкованої плати 280х82,5; напруга живлення 15 В; надійність після 10 тис. годин роботи - не менше 0,9.

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

1. Аналіз технічного завдання;

2. Розробка конструкції блока;

3. Розробка технології виготовлення;

4. Автоматизоване проектування блоку.

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

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

6. Дата видачі завдання 20.04.2010 р.

Реферат

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

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

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

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

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

Зміст

Реферат

Перелік умовних позначень і скорочень

Введення

1. Аналіз технічного завдання

1.1 Аналіз призначення

1.2 Аналіз електричної схеми та принципу роботи пристрою

1.3 Аналіз умов експлуатації

1.4 Аналіз елементної бази

1.5 Аналіз порівнянних конструкцій

1.6 Технічні вимоги на розроблення

1.7 Аналіз технології виготовлення

2. Розробка друкованої плати

2.1 Вибір типу та розмірів друкованої плати

2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати

2.3 Постановка завдання трасування друкованої плати

2.4 Розрахунок по постійному струму

2.5 Розрахунок по змінному струму

2.6 Перевірочний розрахунок теплового режиму

2.7 Розрахунок надійності блоку

3. Розробка технології виготовлення блоку

3.1 Структура технології виготовлення блоку

3.2 Вибір методу виготовлення друкованої плати

3.2.1 Підготовчі операції

3.2.2 Метод отримання провідного малюнка

3.3 Поверхневий монтаж

3.3.1 Нанесення паяльної пасти

3.3.2 Установка SMD компонентів

3.3.3 Оплавлення паяльної пасти

3.4 Установка навісних елементів

3.4.1 Підготовка навісних елементів до монтажу

3.4.2 Напівавтоматична установка навісних елементів з використанням світломонтажного столу

3.5 Пайка контактних з'єднань. Функціональний контроль і покриття лаком

3.6. Аналіз технологічності виробу

4. Автоматизація проектування

4.1 Методика автоматизованого проектування блоків елементів

4.1.1 Структура и функції САПР PCAD+IMPULS

4.1.2 Конфігурація САПР PCAD+IMPULS

4.1.3Основні етапи проектування блоків елементів

4.1.4 Технічні засоби САПР колективного використання

4.2 Графічне введення опису схеми електричної принципової

Висновок

Література

Додаток а

Додаток Б

Перелік умовних позначень і скорочень

ДП - друкована плата;

БКУ - блок контролю та управління;

ПБЖ - пристрій безперервного живлення;

БСл - силовий блок;

БІд - блок індикації;

ЕРЕ - електрорадіо елементи;

ІМС - інтегральні мікросхеми;

ККД - коефіцієнт корисної дії;

ТЗ - технічне завдання;

КПМ (SMD) - компоненти поверхневого монтажу;

АЦП - аналого-цифровий перетворювач;

ЦАП - цифро аналоговий перетворювач;

МК - мікроконтролер;

ОДП - односторонні друковані плати;

ДДП - двосторонні друковані плати;

БДП - багатошарові друковані плати;

ТЕЗ - типовий елемент заміни;

НЕ - навісні елементи;

ОВ - осьові виводи;

АВ - аксіальні виводи;

СМС - світломонтажний стіл;

ПЕ - перелік елементів;

Е3 - схема електрична принципова;

СП - специфікація блоків елементів.

Введення

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

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

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

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

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

1. А наліз технічного завдання

1.1 Аналіз призначення

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

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

Функціонально ПБЖ містить наступні вузли:

блок силовий;

блок контролю і управління БКУ-5;

блок індикації БІд-49;

вхідний і вихідний фільтри;

акумуляторна батарея;

вентилятори.

Рисунок 1.1 - Структурна схема ПБЖ

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

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

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

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

1.2 Аналіз електричної схеми та принципу роботи пристрою

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1.2 - Схема електрична структурна БКУ-5

1.3 Аналіз умов експлуатації

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблиця 1.1 - Кліматичні та механічні фактори умов експлуатації

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

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

Таблиця 1.2 - Умови транспортування (в упакованому вигляді)

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

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

1.4 Аналіз елементної бази

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

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

Електричні та експлуатаційні параметри зведені в таблиці.

Конденсатори MKT 370-63 та MKP 380 – 100.

Рисунок 1.3 - Конденсатори MKT 370-63 та MKP 380 - 100

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

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

Конденсатор VJ1206.

Рисунок 1.4 - Конденсатор VJ1206

Таблиця 1.5 - Геометричні розміри конденсатора VJ1206

Таблиця 1.6 - Технічні характеристики конденсатора VJ1206

Конденсатори B45196 та B45197

Рисунок 1.5 - Конденсатори B45196 та B45197

Таблиця 1.7 - Геометричні розміри конденсаторів B45196 та B45197

Таблиця 1.8 - Технічні характеристики.

Конденсатор FC A-100

Рисунок 1.6 - Конденсатор FC A

Таблиця 1.9 - Геометричні розміри конденсатора FC A

Таблиця 1.10 - Технічні характеристики конденсатора FC A

Резистор UXB 0207

Рисунок 1.7 - Резистор UXB 0207

Таблиця 1.11 - Геометричні розміри резистора UXB 0207

Таблиця 1.12 - Технічні характеристики резистора UXB 0207

Резистор RC1206 J R F та RC2512 J R F

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

Таблиця 1.13 - Геометричні розміри резисторів RC1206 та RC2512

Таблиця 1.14 - Технічні характеристики резистора RC1206 та RC2512

Термістор РТС

Рисунок 1.9 - Термістор РТС-145

Таблиця 1.15 - Геометричні розміри термістора РТС-145

Таблиця 1.16 - Технічні характеристики термістора

Мікросхема ADG507AKR.

Мікросхема ADG507AKR служить у якості комутатора.

Рисунок 1.10 - Мікросхема ADG507AKR

Таблиця 1.15 - Технічні характеристики мікросхеми ADG507AKR

Мікросхема AD8512AR.

Мікросхема AD8512AR виступає в якості операційних підсилювачів.

Рисунок 1.11 - Мікросхема AD8512AR

Таблиця 1.16 - Технічні характеристики мікросхеми AD8512AR

Мікросхема AD7862AR-10.

Мікросхема AD7862AR-10 представляє собою 12-битный АЦП.

Рисунок 1.12 - Мікросхема AD7862AR-10

Таблиця 1.17 - Технічні характеристики мікросхеми AD7862AR-10

Мікросхема AD7945BR.

Мікросхема AD7945BR представляє собою 12-битный ЦАП.

Рисунок 1.13 - Мікросхема AD7945BR

Таблиця 1.18 - Технічні характеристики мікросхеми AD7945BR

Мікросхеми HCPL-4506#020.

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

Рисунок 1.14 - Мікросхема HCPL-4506#020

Таблиця 1.19 - Технічні характеристики мікросхеми HCPL-4506#020

Мікросхеми MC74HC240ADW та MC74HC541ADW.

Рисунок 1.15 - Мікросхеми MC74HC240ADW та MC74HC541ADW

Таблиця 1.20 - Технічні характеристики мікросхем

Мікросхема MC74HC74AD.

Рисунок 1.16 - Мікросхеми MC74HC74AD

Таблиця 1.21 - Технічні характеристики мікросхеми MC74HC74AD

Мікросхема UC3843BVD1

Мікросхема MC74HC74AD виступає у якості перетворювача напруги.

Рисунок 1.17 - Мікросхема MC74HC74AD

Таблиця 1.22 - Технічні характеристики мікросхеми MC74HC74AD

Мікросхема ATmega8515-16AI

Мікросхемі ATmega8515-16AI є мікроконтролером.

Рисунок 1.23 - Мікросхема ATmega8515-16AI

Таблиця 1.23 - Геометричні параметри мікросхеми ATmega8515-16AI

Таблиця 1.24 - Технічні характеристики мікросхеми ATmega8515-16AI

Мікросхема HIN202IBN

Мікросхема HIN202IBN - це вузол зв'язку.

Рисунок 1.19 - Мікросхема HIN202IBN

Таблиця 1.25 - Технічні характеристики мікросхеми HIN202IBN

Резисторна збірка 4605X-101-562.

А=20мм

Рисунок 1.20 - Резисторна збірка 4605X-101-562

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

Дросель B78108-S1103-K

Рисунок 1.21 - Дросель B78108-S1103-K

Таблиця 1.27 - Технічні характеристики мікросхеми дроселя

Діоди BAS32L и BAV102

Рисунок 1.22 - Діод BAV102 и BAV102

Таблиця 1.28 - Геометричні параметри діодів BAV102 и BAV102

Таблиця 1.29 - Технічні характеристики діодів BAV102 и BAV102

Діод PRLL5819

Рисунок 1.23 - Діод PRLL5819

Таблиця 1.30 - Геометричні параметри діоду PRLL5819

Таблиця 1.31 - Технічні характеристики діоду PRLL5819

Транзистор IRFU220

Рисунок 1.24 - Транзистор IRFU220

Таблиця 1.32 - Технічні характеристики транзистору IRFU220

Транзистор BC546B

Рисунок 1.25 - Транзистор BC546B

Таблиця 1.33 - Технічні характеристики транзистору BC546B

Вилка D-Sub 09 66 162 7811.

Рисунок 1.26 - Вилка D-Sub 09 66 162 7811

Таблиця 1.34 - Геометричні розміри транзистору IRFU220

Тип конектора: D Sub;;

Кількість контактів: 9;

Матеріал корпуса: метал.

Вилка 90122-0768

W=0.800 mm

Рисунок 1.27 - Вилка 90122-0768

Вилка 90131-0765.

W=0.500 mm

Рисунок 1.28 - Вилка 90131-0765

Вилка Gds A-C 32.

Рисунок 1.29 - Вилка A-C 32

Стабілітрон BZX84-C5V6.

Рисунок 1.30 - Стабілітрон BZX84-C5V6

Таблиця 1.35 - Технічні характеристики стабілітрону BZX84-C5V6

Резонатор Q-16.0-S-30-30/30-T1.

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

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

Звуковий випромінювач PKB24SPC-3601-B0.

Рисунок 1.32 - Звуковий випромінювач

Таблиця 1.37 - Технічні характеристики звукового випромінювача

Проаналізувавши технічні дані елементної бази, можна зробити наступні висновки:

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

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

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

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

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

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

1.5 Аналіз порівнянних конструкцій

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

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

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

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

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

1.6 Технічні вимоги на розроблення

1. Граничні кліматичні умови експлуатації блоку:

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

відносна вологість повітря до 95%;

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

атмосферний тиск від 84 до 107 kPa

2. Вимоги до електричного монтажу:

напруга живлення 15 В ± 10%

максимальна споживана потужність 50 Вт

електричні лінії, чутливі до перешкод - вхідні сигнальні лінії

3. Конструкторські вимоги:

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

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

вхідні лінії максимально видалити від вихідних ліній

виконати екранування провідником "земля" по всьому периметру друкованої плати.

1.7 Аналіз технології виготовлення

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

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

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

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

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

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

автоматизований поверхневий монтаж;

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

отримання електричних контактів ручним паянням.

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

2. Розробка друкованої плати

2.1 Вибір типу та розмірів друкованої плати

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

зменшити габарити, масу, збільшити щільність монтажу;

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

відсутність монтажних помилок і високу ідентичність електричних і конструктивних параметрів;

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

високу продуктивність і низьку собівартість в умовах серійного виробництва;

уніфікація і стандартизація конструктивних виробів;

гарантована стабільність електричних характеристик;

підвищена стійкість до кліматичних і механічних впливів.

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

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

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

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

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

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

Таблиця 2.1 - Настановні параметри елементів

Для визначення площі конструкції ДП скористаємося формулою:

(2.1)

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

- коефіцієнт втрат площі (=1...3), приймаємо =3.

З формули (2.1) отримуємо площу ДП БКУ:

S=3* (25.2*5+32.4+0.008*41+31.39*5+31.39*5+0.64*3+15.75*25+4.96*32+ +19.69+31.5+185.4+30*4+185.4+131.84+73.53*2+130.81+130.81*2+51.3+ +29.4+144*2+59.4+50*6+5.25*8+7*6+15.18+16.8*2+108.15+0.195+0.1*2+ +1031+6.44+48.6*2+590.49+16*4) =12213.579 мм² .

Блок контролю й управління є нестандартним виробом. Оскільки БКУ входить до складу більш складного пристрою, при виборі розміру друкованої плати повинні враховуватися габарити цього пристрою і розміри посадкового місця. На підставі цього вибираємо ДП розмірами 280х82.5 (згідно з вимогами ДСТУ 10317-79 співвідношення сторін ДП не більше 3: 1, однак допускається збільшення зазначеного співвідношення).

Площа вибраної ДП задовольняє розрахунку.

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

На даний час склотекстоліт найбільш поширений матеріал для виготовлення друкованих плат. СФ-2-35 має наступні характеристики по ГОСТ 10316-78:

низьке водопоглинання (0.2...0.8%);

стійкість до жолоблення;

підвищена жорсткість і міцність;

питомий поверхневий опір ρ_S = 10¹⁰ ...10¹¹ Ом;

питомий об'ємний опір ρ_V = 10¹¹ ...10¹³ Ом * см;

діапазон робочих температур - 60... +105 ° С;

діелектрична проникність μ = 6.

Розміщення НЕ на ДП здійснюємо відповідно до 4ГО.010.030 і 4ГО.010.009. При компонуванні ДП необхідно забезпечити відповідно до ДСТУ 23751-79 раціональне розміщення навісних елементів з урахуванням електричних зв'язків та теплового режиму із забезпеченням мінімальних значень довжин зв'язків, кількості переходів друкованих провідників із шару в шар, паразитних зв'язків між елементами, по можливості рівномірний розподіл мас навісних елементів по поверхні.

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

У процесі конструювання ДП виконуються такі розрахунки:

конструктивно-технологічний;

розрахунок по змінному струму;

розрахунок по постійному струму.

2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати

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

Рисунок 2.1 - Основні умовні позначення і графічне зображення ДП

Hn - товщина ДП;

Hnc - загальна сумарна товщина ДП;

Hм - товщина основи ДП;

hn - товщина фольги;

h - товщина провідного малюнку;

l - відстань між центрами елементів;

t - ширина друкованого провідника;

Q - відстань від краю плати до елементів провідного малюнка;

d - діаметр отвору;

b - ширина гарантійного паску;

D - діаметр контактної площадки;

S - відстань між краями сусідніх елементів провідного малюнка.

Мінімальний діаметр перехідного отвору:

, (2.2)

де Нп - товщина друкованої плати мм;

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

Згідно з ДСТУ 10316-78 вибираємо товщину діелектрика 1.5 мм.

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

Приймаємо діаметр перехідного отвору 0,7 мм.

Мінімальне значення діаметра монтажного отвору визначаємо із співвідношення:

, (2.3)

де d_В - максимальне значення діаметра виводу навісного елемента;

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

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

Таблиця 2.3 - Допустимі похибки виконання конструктивних елементів

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

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

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

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

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

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

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

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

Номінальне значення ширини провідника t розраховуємо за формулою:

, (2.4)

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

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

Для вільного місця номінальне значення ширини провідника:

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

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

S = S_м + t_во , (2.5)

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

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

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

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

(2.6)

де - діаметр отвору;

- підтравлювання діелектрика, мм;

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

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

;

при d_мо1 =0,8мм

;

при d_мо2 =0,9мм

;

при d_мо3 =1 мм

;

при d_мо4 =1,1 мм

;

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

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

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

де n - кількість провідників, n = 1;

δl - позиційний допуск розташування провідника (таблиця 2.2).

l₂ = 1,54 + 0,5 + 0,5 * (1 + 1) + 0,05 = 3,09 мм

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

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

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

Рисунок 2.2 - Контактні площадки для КПМ

Результати розрахунку компонентів поверхневого монтажу зведені до таблиці 2.4

Таблиця 2.4 - Результати розрахунку КПМ

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

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

2.3 Постановка завдання трасування друкованої плати

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

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

При трасуванні з'єднань необхідно виконувати основні вимоги ГОСТ 10317-79, ГОСТ 2.41778.

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

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

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

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

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

Трасування блоку виконувалася в програмі PCAD.

2.4 Розрахунок по постійному струму

Найбільш важливими електричними властивостями друкованих плат є навантажувальна здатність провідників по струму, опір провідників і діелектрична міцність основи друкованої плати. Беремо методику розрахунку з [5].

Спочатку розрахуємо потрібний перетин провідника сигнальної ланцюга:

мм^{2 (} 2.9)

де r - питомий опір провідника (для провідників, отриманих методом електрохімічного нарощування r = 0,05 Ом·мм²/м );

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

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

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

Необхідна ширина друкованого провідника:

мм² (2.10)

де h_ф - товщина фольги (h_ф = 0,035 мм ).

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

Ширина друкованого провідника шини живлення і землі:

( 2.11)

Для U _П =5 В:

мм.

Мінімальна ширина шин живлення й "землі"

Для U= 5В :

,

Приймається ширина ланцюгів живлення і землі однаковою: при U_П =5В - b_жз =0,71 мм.

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

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

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

Ом ( 2.12)

де l_З - зазор між провідниками;

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

Опір ізоляції паралельних провідників наближено обчислюється:

Ом ₍ 2.13)

де R_V - об'ємний опір ізоляції між провідниками протилежних шарів двосторонньої друкованої плати (R_V = 10R_S ).

Розраховані параметри друкованих провідників відповідають навантажувальної здатності провідників по струму, оскільки основа друкованої плати має високий опір ізоляції і високу діелектричну міцність.

2.5 Розрахунок по змінному струму

При передачі по друкованим елементам плати високочастотних імпульсних сигналів через наявність індуктивного опору провідників, взаємної індуктивності і ємності, опору витоку між провідниками сигнали спотворюються, з'являються перехресні перешкоди. Розрахунок по змінному струму дозволяє уточнити максимальну довжину одиночного провідника, максимальну довжину спільного проходження поруч розташованих провідників, зазори між провідниками.

Так як паразитна зв'язок різко зменшується при збільшенні відстані між провідниками, то найбільшу перешкоду наводять два провідника, розміщених на різних сторонах від пасивної лінії.

Допустиму довжину трьох паралельно розташованих сигнальних провідників визначають за формулою:

( 2.14)

де l _ЕД , l_ИД - допустима довжина паралельно розташованих провідників при впливі тільки ємнісного паразитного зв'язку й тільки індуктивного паразитної зв'язку відповідно.

Допустима довжина паралельно розташованих сусідніх провідників при впливі тільки ємнісного паразитного зв'язку визначається за формулою:

( 2.15)

де С_Д - допустима ємність паразитного зв'язку, що визначається перешкодостійкістю мікросхем (за найгіршим варіантом С_Д = 30 пФ );

С_П - погонна ємність пФ / см, яка визначається за формулою:

(2.16)

де К _П - коефіцієнт пропорційності (К _П = 0,15);

Е¹ - діелектрична проникність середовища

Для провідників, розташованих на поверхні плати:

(2.17)

де Е ₀ - діелектрична проникність повітря або лаку, якщо плати покриті лаком (Е ₀ = 2);

Е - діелектрична проникність матеріалу плати (Е = 6).

Підставляючи Е^’ в (2.16) отримуємо значення погонною ємності:

С_П = 0,15·4 = 0,6 пФ/см

Значення С_П підставляємо у формулу (2.15) і обчислюємо допустиму довжину паралельно розташованих сусідніх провідників при впливі тільки ємнісний паразитної зв'язку:

см

Допустима довжина паралельно розташованих сусідніх провідників при впливі тільки індуктивного паразитної зв'язку для плати без екрануючої площини визначають за рівнянням (2.18):

(2.18)

де U_ПУ - значення перешкодостійкості мікросхем (U_ПУ =0,4 В );

U₀ - напруга логічного 0 (U₀ = 0,5 В );

∆I - перепад струму в ланцюзі живлення при перемиканні ІС (∆I = 0,01 А );

t_ЗСР - середній час затримки (t_ЗСР = 4,75 нс );

К_З - коефіцієнт запасу (К_З =0,5…0,7).

Для вирішення рівняння використовується ітераційний метод Ньютона.

Введемо позначення:

; ; B = - 1; А =.

Тоді вихідне рівняння перетворюється до виду:

Ітераційна формула буде мати наступний вигляд:

Обчислення за ітераційною формулою виконують до тих пір, поки не виконається умова:

де D - точність обчислень.

Одержуємо:

, B = - 1, А =

Приймаються рекомендовані значення: Z₀ = 100; D = 1. Проводимо обчислення:

Z₁ = (100 + 712,5) / (ln (100/0,45)) =150,36

|150,36 - 100|=50,36>1

Z₂ = (150,36 + 712,5) / (ln (150,36/0,45) =148,5

|148,5-150,36|=1,86>1

Z₃ = (148,5+712,5) / (ln (148,5/0,45)) =148,47

|148,47-148,5|=0,03<1

0,03<1 - умова виконується. Тоді l_мд = 148,47 см.

Тоді допустима довжина трьох паралельно розміщених провідників за формулою (2.14):

.

Допустиму довжину шини землі визначимо за формулою:

( 2.19)

де n - число ІС на друкованій платі, підключених до шини землі;

∆ І - струм перемикання ІС;

L_П - погонна індуктивність шини землі (L_П = 13 нГн/см );

t_Ф - середня тривалість фронту сигналу, яка визначається за формулою:

(2.20)

де t_Ф , t_С - тривалість фронту і спаду імпульсу сигналу (t_Ф = 14 нс , t_С = 14 нс ).

нс .

Підставивши дані у формулу (2.19) отримаємо:

м .

Підводячи підсумки розрахунків по змінному струму можна виділити наступні вимоги до друкованих провідникам:

допустима довжина трьох паралельно розташованих сигнальних провідників - 20,63 см;

допустима довжина шини "землі" не повинна перевищувати 150 мм.

Наведені вимоги будуть враховані при компонуванні і трасуванні друкованої плати, щоб забезпечити нормальне функціонування пристрою.

2.6 Перевірочний розрахунок теплового режиму

Компоненти електронної обчислювальної апаратури функціонують в строго визначеному температурному діапазоні. Вихід температури за вказані межі може призвести до незворотних структурних змін компонентів. Температура впливає на електронні схеми, змінюючи параметри сигналів. При підвищеній температурі знижуються діелектричні властивості матеріалів, прискорюється корозія конструкційних матеріалів, контактів. При зниженій температурі тверднуть і розтріскуються гумові деталі, підвищується крихкість матеріалів. Різниця в коефіцієнтах лінійного розширення матеріалів може призвести до руйнування залитих смолами конструкцій і, як наслідок, порушення електричних з'єднань, зміни характеру посадок, ослаблення кріплення і т.п.

Нормальний температурний режим ЕОА - це такий режим, який при зміні в певних межах зовнішніх температурних впливів забезпечує зміну параметрів і характеристик конструкції, схем, компонентів, матеріалів у межах, вказаних в ТУ. Висока надійність і тривалий термін служби ЕОА будуть гарантовані, якщо температура середовища усередині ЕОА нормальна (20-25 °С) і змінюється не більше ніж на 2°/г. Забезпечення нормального теплового режиму призводить до ускладнення конструкції, збільшення габаритів і маси, введення додаткового обладнання, витрат електричної енергії. Для підтримки нормального теплового режиму використовують природне охолодження, примусове повітряне та водоповітряне охолодження, примусове охолодження з допомогою рідкого хладагента та інше.

При природному охолодженні теплонавантажені елементи охолоджуються за рахунок природної конвекції повітря, теплопровідності і випромінювання. Метод охолодження, як найпростіший, вимагає підвищеної уваги конструктора до питань раціонального компонування. При компонуванні необхідно прагнути до рівномірного розподілу потужності, що виділяється, по всьому об'єму ЕА. Компоненти та ТЕЗ з великими тепловиділеннями необхідно розташовувати у верхній частині ЕА або поблизу стінок, критичні до перегріву компоненти й ТЕЗ - у нижній частині, захищати тепловими екранами.

Примусове повітряне охолодження автономними вентиляторами і безпосередньою подачею повітря від центрального кондиціонера широко практикується в ЕА з тепловиділеннями не більше 0,5 . Недоліками повітряного охолодження є: ускладнення конструкції, підвищена запиленість, поява вібрацій в результаті роботи вентиляторів, нерівномірність розподілу охолоджуючого повітря і т.д.

Системи охолодження, що залишилися, є ще більш складними і застосовуються у складних ЕА.

Для проектованого блоку контролю та управління вибираємо природне охолодження, тому що щільність теплового потоку від охолоджуваних поверхонь не перевищує 0,05, коефіцієнт заповнення блоку дуже низький.

Тепловими розрахунками необхідно підтвердити правильність обраного способу охолодження, в іншому випадку потрібно вибрати більш ефективний спосіб охолодження. Існуючі методики теплових розрахунків електронної апаратури різноманітні, але в більшості з них теплонавантажені компоненти разом з конструктивними елементами, на які вони встановлені, моделюються умовно нагрітої зоною. Методика, за якою проводився розрахунок, має похибку не більше ±10%. Розрахунок проводився на ЕОМ за допомогою програми "TEPLO". Вихідними даними до розрахунку є:

тип використовуваного корпусу;

розміри блоку;

температура навколишнього середовища;

потужність, що розсіюється в блоці;

дані про елементи, критичних до перегріву і т.д.

Результати розрахунку наведені в додатку A. За результатами можна зробити висновок про можливість застосування в проектованому виробі природного охолодження, тому що отримані результати повністю задовольняють технічним завданням, а саме:

температура нагрітої зони, ^о С - 30.15;

температура повітря, ^о С - 30.14;

температура поверхні елементів, ^о С - 30.66.

2.7 Розрахунок надійності блоку

Надійність ЕА - властивість виконувати задані функції, зберігаючи експлуатаційні показники в допустимих межах протягом необхідного проміжку часу, і можливість відновлення функціонування, втраченого з тих чи інших причин.

У будь-який момент часу ЕА може знаходиться в справному або несправному стані. Якщо ЕА в даний момент часу задовольняє всім вимогам, встановленим як відносно основних параметрів, так і відносно другорядних параметрів, що характеризують зовнішній вигляд і зручність в експлуатації, то такий стан називають справним станом. Відповідно з цим визначенням несправний стан - стан ЕА, при якому вона в даний момент часу не задовольняє хоча б однієї з цих вимог.

Працездатність - стан ЕА, при якому вона в даний момент часу відповідає всім вимогам щодо основних параметрів, що характеризують нормальне протікання процесів.

Відмова - подія, що складається у повній або частковій втраті працездатності системи.

За характером зміни параметрів до моменту виникнення відмови діляться на раптові - в результаті миттєвої зміни одного або кількох параметрів елементів і поступові - в результаті поступової зміни параметрів елементів до тих пір, поки значення одного з параметрів не вийде за деякі межі, що визначають нормальну роботу елементів.

За характером усунення відмови ділять на стійкі та ті, що самоусуваються. Для усунення стійких відмов необхідна його регулювання або заміна, а самоусуваються відмови усуваються без втручання оператора.

За зовнішніми проявами відмови ділять на явні - виявляються при зовнішньому огляді і неявні - виявляються спеціальними методами контролю.

Поняття "відмова" дозволяє розглянути основні експлуатаційні властивості ЕА: безвідмовність, ремонтопридатність, довговічність, збереженість.

Безвідмовність - властивість ЕА безперервно зберігати працездатність в заданих режимах і умовах експлуатації протягом заданого інтервалу часу. Під ремонтопридатністю розуміють властивість пристрою, що полягає у пристосуванні до попередження відмов, виявлення причин їх виникнення і усунення їхніх наслідків шляхом проведення ремонтів і технічного обслуговування. Довговічність характеризує властивість виробу зберігати працездатність до настання граничного стану. Збереженість - властивість виробу зберігати значення параметрів при зберіганні та транспортуванні.

У цьому проекті оцінюється структурна надійність блоку контролю та управління. Структурна надійність ЕА - її результуюча надійність при відомій структурній схемі і відомих значеннях надійності всіх елементів, що становлять структурну схему. При цьому під елементами розуміється як інтегральні мікросхеми, резистори, конденсатори і т.п., що виконують певну функцію і включені в загальну електричну схему, так і елементи допоміжні, що не входять в структурну схему: паяні сполуки, роз'ємні, елементи кріплення та інше.

Розрахунок проводиться на ЕОМ за допомогою програми "NADEG". Вихідними даними до розрахунку є дані про типи використовуваних елементів і їх кількість.

Результати розрахунку наведені в додатку Б. За результатами (після 100000 годин роботи - середня ймовірність безвідмовної роботи 90,34%) можна зробити висновок про те, що отримані дані задовольняють вимогам ТЗ на розробку.

3. Розробка технології виготовлення блоку

3.1 Структура технології виготовлення блоку

Технологія виготовлення блоку, що розроблюється, повинна бути спрямована на максимальне використання типових технологічних процесів виготовлення і збірки, скорочення термінів виробництва, мінімізацію витрат матеріалів, забезпечення мінімальної вартості і високої якості виробу.

Відповідно до технічного аналізу виробу, у виборі типу виробництва слід орієнтуватися на серійне багатономенклатурне виробництво. Це накладає певні обмеження на вибір способів виготовлення і застосовуваного технологічного устаткування.

Технологічна схема виготовлення блоку представлена на рисунку 3.1 Усі технологічні процеси та операції при виготовленні блоку можна розбити на наступні групи операцій:

виготовлення ДП;

установка і монтаж ЕРЕ на ДП;

загальна зборка блоку.

Технологічні операції виготовлення ДП у відповідності з послідовністю їх виконання діляться на наступні три основні групи:

підготовчі операції;

основні операції;

заключні операції.

Основною операцією виготовлення ДП є отримання елементів друкованого монтажу. Для цього використовують Субтрактивний, адитивний або комбінований методи.

Технологічний процес збірки та монтажу блоку складається з наступних етапів:

підготовка НЕ;

установка ЕРЕ на ДП;

отримання контактних з'єднань виводів елементів з друкованим монтажем;

функціональний контроль монтажу і параметрів блоку;

покриття вологозахисним шаром.

Рисунок 3.1 - Технологічна схема виготовлення блоку.

3.2 Вибір методу виготовлення друкованої плати

3.2.1 Підготовчі операції

Першим етапом виготовлення ДП є механічна обробка, яка включає в себе розкрій листового матеріалу на смуги, одержання з них заготовок і виконання фіксуючих, технологічних, перехідних і монтажних отворів.

Вибір методу одержання заготовки визначається типом виробництва. Заготівлі ДП в серійному виробництві отримують штампуванням. Фіксуючі, технологічні, монтажні та перехідні отвори виконуються штампуванням або свердлінням. При штампуванні відбувається розшарування матеріалу, що ускладнює металізацію отворів. Тому для отримання отворів будемо використовувати свердлильний верстат з ЧПУ. Різання ведуть спіральними свердлами з металокерамічного твердого сплаву при оптимальній частоті обертання шпинделя в межах від 25 до 50 об / хв. Виходячи з цього, візьмемо свердлильний верстат з ЧПУ моделі Alfa Z фірми Digital Systems.

Контроль якості отворів виконується візуально за допомогою спеціальних ширококутних мікроскопів з розгортанням поверхні типу "Мікробор". Наявність отворів перевіряється на спеціальних компараторах методом сканування зображення контрольованої та еталонної плати.

Перед операціями отримання елементів друкованого монтажу виконується підготовка поверхні заготовки ДП. Підготовчі операції включають очищення вихідних матеріалів і монтажних отворів від оксидів, жирових плям, змащення, плівок та інших забруднень; активація поверхні і контроль якості підготовки.

Механічна підготовка в умовах серійного виробництва здійснюється автоматом. Автоматична хімічна та електрохімічна підготовка поверхні проводиться у ваннах із різними розчинами, з подальшим їх промиванням і сушінням.

Безпосередньо перед операцією хімічного осадження виконується декапірування, яке полягає у видаленні окисних плівок розчином соляної кислоти з наступним промиванням і сушінням.

3.2.2 Метод отримання провідного малюнка

У даний час застосовують кілька методів виготовлення ДП:

субтрактивний, при якому провідний малюнок утворюється за рахунок видалення провідного шару з ділянок поверхні, що утворюють непровідний малюнок;

адитивний, при якому провідний малюнок отримують нанесенням провідного шару заданої конфігурації на діелектричну основу плати;

комбінований, в цьому методі зроблена спроба об'єднати основні достоїнства субтрактивного і адитивного методів. З субтрактивного методу взято використання фольгованої основи як заготівки, а з адитивного - металізація отворів.

Відповідно до ГОСТ 23751-86 конструювання друкованих плат слід здійснювати з урахуванням таких методів виготовлення:

хімічного для односторонніх друкованих плат і гнучких друкованих кабелів;

комбінованого позитивного для ДДП, ГДП;

електрохімічного (полуадитивного) для ДДП;

металізації наскрізних отворів для БДП;

Всі рекомендовані методи (крім полуадитивного) є субтрактивну.

Виходячи з викладених вище рекомендацій необхідно вибрати, або електрохімічний (полуадитивний) метод, або комбінований позитивний метод.

Електрохімічний метод у даному випадку нам не підходить, тому що його застосовують для виготовлення ДДП з високою щільністю струмопровідного малюнка. У цьому методі використовується нефольгірованний діелектрик СТЕФ.1-2ЛК з обов'язковою активацією його поверхні або діелектрик з фольгою 5 мкм. З огляду на ці дані, приходимо до висновку, що даний метод значно дорожче комбінованого позитивного методу, і крім того, з-за високої щільності струмопровідного малюнка і малої товщини фольги, опір друкованих провідників буде великим, що в нашому випадку небажано.

З огляду на вищевикладене, приходимо до висновку, що в нашому випадку краще використовувати комбінований позитивний метод. Цей метод забезпечує хорошу адгезію елементів провідного малюнка до діелектричної основи і збереження електроізоляційних властивостей діелектрика, захищеного під час обробки плати в агресивних хімічних розчинах мідної фольгою.

Вихідним матеріалом для комбінованого способу служить фольгований із двох сторін діелектрик, тому що провідний малюнок отримують витравлювання міді, а металізація отворів здійснюється за допомогою хімічного міднення з подальшим нарощуванням електрохімічним шару міді.

Розрізняють комбінований негативний і комбінований позитивний методи.

Негативний. Суть методу: виборне травлення незахищених ділянок фольги, металізація отворів хіміко-гальванічним способом. Переваги - доступність механізації і автоматизації, металізація отворів, висока якість ДП. Недоліки - вплив хімічних речовин на діелектричну основу, бічне підравлення провідників, витрата травників і міді.

Позитивний. Сутність позитивного методу: хімічне осадження міді в отвори, нанесення захисного шару (негативна маска), електрохімічне осадження міді, захист провідного малюнка сплавом Sn-Pb, стравлення захисної маски.

Позитивний комбінований метод забезпечує III-й клас точності друкованого монтажу і кращі, у порівнянні з іншими методами, діелектричні властивості плат.

Травлення міді проводиться розчинами на основі хлорного заліза. Ці розчини допускають утилізацію міді з відпрацьованого травителя, а також регенерацію самого травителя. Бічне підтравлення провідників-мінімально.

З урахуванням усіх перерахованих достоїнств цей метод на даний час є основним у виробництві двосторонніх і багатошарових друкованих плат для апаратури найрізноманітнішого призначення. Метод добре відпрацьований на виробництві і є оптимальним при серійному випуску.

Основними методами для створення малюнка друкованого монтажу, є офсетний друк, сіткографія і фотодрук.

Метод офсетного друку полягає у виготовленні друкованої форми, на поверхні якої формується малюнок шару. Форма закочується валиком трафаретного фарбою, а потім офсетний циліндр переносить фарбу з форми на підготовлену поверхню основи ДП. Метод застосовується в умовах масового і великосерійного виробництва. Його недоліками є висока вартість обладнання, необхідність використання кваліфікованого обслуговуючого персоналу і трудність зміни малюнка плати.

Сіткографічний метод заснований на нанесенні спеціальної фарби на плату шляхом продавлювання її гумової лопаткою (ракелем) через сітчастий трафарет, на якому необхідний малюнок утворений осередками сітки, відкритими для продавлювання. Метод забезпечує високу продуктивність і економічний у умовах масового виробництва.

Самою високою точністю і щільністю монтажу характеризується метод фотодруку. Він полягає в тому, що на поверхню плати наносять світлочутливий фоторезист, який потім експонують через фотошаблонів і проявляють, в результаті чого утворюється заданий малюнок схеми.

При комбінованому позитивному методі для забезпечення необхідної точності, з метою підвищення технологічності та економічності необхідно використовувати метод фотодруку для отримання захисного малюнка. Для запобігання розрощення міді в процесі гальванічного осадження Необхідно використовувати сухий фоторезист товщиною 40-60 мкм. Технологія значно спрощується при використання плівкового фоторезист, який легко піддається автоматизації і забезпечує рівномірне нанесення захисного шару.

3.3 Поверхневий монтаж

3.3.1 Нанесення паяльної пасти

Паяльна паста в технології поверхневого монтажу є дуже важливим компонентом, а сама процедура нанесення і якість її виконання багато в чому позначаються на якості одержуваного електронного виробу.

Паяльна паста виконує функцію припою для SMD-компонентів, і, крім цього, допоміжну функцію - фіксацію SMD-компонентів на контактних площадках до моменту оплавлення припою. Саме тому, при виборі паяльної пасти, крім усього іншого, потрібно оцінювати і її склеювальні властивість. Будемо застосовувати паяльну пасту NC254 (вміст металу в пасті - 88,5%)

Для правильного, дозованого нанесення паяльної пасти використовуються трафаретні принтери. У даному випадку буде застосовуватися автоматичний трафаретний принтер MY500.

Необхідно відзначити, що етап нанесення паяльної пасти в процесі поверхневого монтажу відіграє значну роль. Помилки, допущені на даному етапі, в подальшому можуть призвести до браку та дефектів у виробленому електронному виробі.

3.3.2 Установка SMD компонентів

Установка SMD компонентів багато в чому є механічною процедурою. Основною її функцією - є правильне розміщення SMD-компонентів на друкованій платі. Всі SMD-компоненти повинні бути встановлені строго відповідно до спроектованої електронної схеми друкованої плати.

Оскільки більшість встановлюваних елементів SMD-компоненти, то їх встановлення здійснюється автоматично. Для установки елементів поверхневого монтажу будуть вікорістовуватіся універсальні автоматично MX-120P, продуктивність автомата за стандартом IPC9850 складає 15000 комп. / год.

3.3.3 Оплавлення паяльної пасти

Коли на друковану плату нанесена паяльна паста, встановлені та зафіксовані SMD-компоненти, виконується етап оплавлення паяльної пасти. Під час оплавлення припою на друкованих платах дуже важливо дотримання температурного режиму. Температурний режим характеризується не тільки температурою максимального нагріву, а й тим, як дана температура досягається. У процесі нагріву для ряду SMD - компонентів повинна витримуватися задана швидкість нагріву. Іншими словами, при розплавленні задається температура оплавлення і час, за який необхідно їх досягти. Більше того, процедура охолодження так само повинна витримувати такий режим. Такий підхід гарантує, що друкована плата і SMD-компоненти, що знаходяться на ній, не будуть піддані тепловим ударам, що дозволяє вберегти її від теплових ушкоджень.

Щоб забезпечити заданий температурний режим оплавлення використовуються так звані печі оплавлення припою. Печі оплавлення припою дозволяють виконати вимоги по температурному профілю в умовах групової пайки SMD - компонентів на друкованих платах.

Процедура оплавлення припою і якість її виконання багато в чому визначають якість одержуваної друкованої плати. Тому, для оплавлення паяльної пасти вибираємо систему парофазної пайки VP-800 виробництва фірми ASSCON sistemtechnik (Німеччина).

3.4 Установка навісних елементів

3.4.1 Підготовка навісних елементів до монтажу

Безпосередньо перед складанням ДП, необхідна підготовка комплектуючих елементів до монтажу. Підготовка ЕРЕ та ІС загалом включає наступні операції:

вивантаження із заводської тари;

завантаження в технологічну тару;

вхідний контроль параметрів і відбраковування;

підготовка виводів НЕ:

рихтування;

формування;

обрізка в розмір;

лудіння;

завантаження в технологічну тару для встановлення НЕ на ДП.

Необхідність вхідного контролю викликана впливом різних факторів при транспортуванні і зберіганні, які призводять до погіршення якості показників готових виробів. Витрати на проведення вхідного контролю значно менше витрат, пов'язаних з випробуванням і ремонтом зібраних плат. Вхідний контроль здійснюється вибірково.

У серійному виробництві підготовка НЕ здійснюється поопераційно з автоматичною подачею компонентів. Розміщення компонентів у технологічній тарі дозволяє підвищити продуктивність підготовки НЕ до монтажу, використовуючи автоматичне обладнання для комплексної підготовки.

Для підготовки виводів НЕ масового застосування (резистори, конденсатори, діоди і мікросхеми в корпусі DIP) будемо використовувати спеціальне технологічне обладнання. Підготовку елементів з аксіальним виводами виконуємо за допомогою автомата АКПР-1. Підготовка навісних елементів з осьовими виводами буде виконуватися вручну.

Після підготовки елементів виконується зборка блоку.

3.4.2 Напівавтоматична установка навісних елементів з використанням світломонтажного столу

В умовах серійного та багатономенклатурного виробництва при складанні типових елементів заміни (ТЕЗ) використання автоматичного обладнання викликає значні труднощі. Велика кількість номіналів ЕРЕ, топологій і розмірів ДП не дозволяє застосовувати універсальні механізми для захоплення ЕРЕ та ІС з магазинів-накопичувачів або транспортерів і встановлювати їх на ДП. Створення ж спеціалізованих автоматів при малих обсягах виробництва економічно невигідно.

Помітну частину робочого часу при роботі без цього столу монтажник витрачає на те, щоб за кресленням знайти місце розміщення ЕРЕ на ДП, знайти ЕРЕ з потрібними параметрами, визначити його орієнтацію (якщо ЕРЕ полярний), і зовсім небагато часу потрібно для того, щоб встановити його на ДП відповідно до креслення. Якщо на ДП встановлюється невелике число ЕРЕ, то монтажник дуже швидко запам'ятовує порядок розміщення ЕРЕ, і час на звернення до креслення і пошук ЕРЕ у клітинці зводиться до мінімуму навіть при великій номенклатурі вузлів на друкованій платі (ВДП) (хоча не виключена можливість помилок). Але чим складніше ВДП, тим більше часу йде у нього на звернення до креслення і пошук ЕРЕ. Зростає кількість помилок.

Тому за останні 15 - 20 років зародився і одержав розвиток новий напрямок в технології монтажу - програмована ручна збірка на світломонтажних столах ЕРЕ на ДП, які випускає більше 30 фірм США, Західної Європи та інші.

Поява програмованої збірки на СМС дозволило отримати ряд помітних переваг:

При складанні ТЕЗ не потрібно звертатися до креслення;

Виключаються помилки розміщення елементів на ДП;

Роботу може виконувати монтажник низької кваліфікації;

Значно підвищується продуктивність процесу складання.

Вручну без спеціальних засобів і прийомів дуже важко витримувати темп збірки. На світло монтажному столі може досягати 500...600 шт/г, а при сприятливих умовах - понад 1000 шт/г. Час доступу до ЕРЕ та встановлення його на ДП в кращих зразках світомонтажних столів становить 1.0...1.9 с.

Рисунок 3.1 - Структурна схема світломонтажного столу

Світломонтажний стіл подає монтажнику ЕРЕ тільки одного типономіналу (або відображає клітинку нерухомого накопичувача, де зберігаються ЕРЕ цього типономіналу) і одночасно вказує світловими засобами ділянку ДП, куди і як потрібно встановити ЕРЕ.

ДП фіксується в пристосуванні, яке може переміщатися по осях X, Y приводом. На деякому віддаленні від плати розміщується засіб вказівки посадкового місця ЕРЕ на ДП, в яке входить джерело світла, вузол зміни світлового потоку і привод. Так як при цілевказівки має значення тільки відносне переміщення світлового покажчика та ДП, то привод повинен бути тільки один - або у засобів вказівки посадкового місця (у переважній більшості випадків), або біля столу. ЕРЕ розміщується в одному або декількох накопичувачах, що мають або власний привод, які засоби індикації потрібного ЕРЕ. Всі перераховані пристрої працюють за сигналами пристрою управління, в простому випадку - кнопки або педалі. Не обов'язкові, але бажані і мають у переважній більшості установок пристрій програмування та засоби відображення інформації. Пристрій управління може через інтерфейс мати виходи на принтер, перфоратор, САПР і інші периферійні пристрої (є не у всіх установках), верхній рівень управління (КОК - керуючий обчислювальний комплекс).

3.5 Пайка контактних з'єднань. Функціональний контроль і покриття лаком

Отримання контактних з'єднань виводів елементів з друкованим монтажем здійснюється переважно паянням. Технологічний процес пайки складається з наступних операцій:

нанесення і сушка флюсу;

попередній нагрів плати і компонентів;

пайка;

обрізування виводів і очищення.

Оскільки кількість навісних елементів невелика - проводиться ручна пайка.

Після пайки на поверхні плати залишається деяка кількість флюсу та продуктів його розкладання. У зв'язку з цим передбачається очищення та відмивання змонтованої ДП за допомогою установки ELMA.

Функціональний контроль блоку виконується оператором вручну на спеціальному стенді. На стенді є світлодіоди і змінні резистори. Для функціонального контролю використовуються стандартні прилади для забезпечення необхідного напруги, а також вимірювальні пристрої для контролю вихідних сигналів. Оператор контролює блок відповідно до інструкції, яка є для нього програмою і обробляє результати контролю.

Якщо після функціонального контролю винесено позитивний результат, то плата покривається вологозахисним шаром. В якості такого покриття візьмемо кремнеорганічний лак DCA-200H, він має гарні вологозахисні властивості. Це є основним способом захисту від вологи.

Найбільш універсальним методом, що забезпечує рівномірне нанесення захисного шару на всі поверхні, в тому числі і під ІС, є занурення з подальшим центрофугіровання. Покриття лаком виконаємо на установці УЛПМ-901.

3.6. Аналіз технологічності виробу

Під технологічністю конструкції розуміють таке поєднання конструктивно-технологічних вимог, що забезпечує найбільш просте і економічне виробництво виробів при дотриманні всіх технічних та експлуатаційних умов.

Технологічність конструкції складальних одиниць визначають трудомісткістю операцій складання, можливістю ефективного використання високопродуктивного автоматизованого устаткування для збірки.

Оцінка технологічності конструкції полягає в розрахунку комплексного показника технологічності даного виробу і порівняння його з нормованим показником, встановленим для даного виду виробу. Нормований показник технологічності для серійного виробництва перебуває в межах від 0,45 до 0,75. Комплексний показник визначається на основі відносних часткових показників і коефіцієнтів їх впливу на технологічність вироби, які наведені в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 - Показники технологічності та коефіцієнти значущості

Коефіцієнт автоматизації и механізації підготовки елементів до монтажу:

=, (3.1)

де - число ЕРЕ и ІМС, підготовка до монтажу яких виконується механізованим або автоматизованим способом;

- загальне число ЕРЕ;

- загальне число мікросхем и мікрозбірок.

.

Коефіцієнт установчих розмірів:

(3.2)

де - число типів установчий розмірів;

- число всіх установчих розмірів.

.

Коефіцієнт застосовності ЕРЕ:

, (3.3)

де - число типорозмірів оригінальних ЕРЕ;

- число всіх типорозмірів ЕРЕ.

.

Коефіцієнт повторюваності ЕРЕ:

-; (3.4)

.

Коефіцієнт використання мікросхем та мікрозборок:

, (3.5)

.

Комплексний показник технологічності:

(3.6)

Порівнюючи отриманий комплексний показник технологічності виробу з нормованим показником технологічності для серійного виробництва можна зробити висновок про те, що розроблений виріб є достатньо технологічним.

4. Автоматизація проектування

4.1 Методика автоматизованого проектування блоків елементів

4.1.1 Структура и функції САПР PCAD+IMPULS

Система автоматизованого проектування PCAD + IMPULS призначена для автоматизованого проектування друкованих вузлів (друкована плата з розміщеними на ній ЕРЕ), об'єднавчих панелей на двосторонніх (ДДП) і багатошарових (МДП) та розширює функціональні можливості системи PCAD 4.5

ПЭ ВП СП СБ

КЗОБ

СБ

Э3

ЧПП

фзш

фнш

Рисунок 4.1 - Структурна схема програми PCAD

Вхідні документи: ПЕ - перелік елементів; Е3 - схема електрична принципова.

Бібліотеки: BI - бібліотека комплектуючих виробів; SYM - бібліотека схемних макросів; PRT - бібліотека компонентних макросів; LIB - бібліотека контактних площадок, настановних макросів, постійних елементів креслень, опис конструктивів.

Інформаційні масиви: DBF - розширений масив переліку елементів, FIL - файл відповідностей компонентних і схемних макросів; ALT - опис схеми електричної принципової символьною мовою; XNL - опис схеми електричної принципової при графічному введенні; SCH - графічне опис схеми електричної принципової; PCB - комплексний масив опису блоку елементів.

Вихідні документи: ПЕ - перелік елементів; Е3 - схема електрична принципова; СП - специфікація блоків елементів; ПВП - креслення друкованої плати пошарово; СБЧ - складальне креслення блоків елементів.

Машинні носії: СВ - для свердлильних автоматів; КЗіОБ - для контролю друкованої плати на короткі замикання і обрив; СБ - для складальних автоматів.

Фотошаблонів: ФМШ - топологічних шарів; ФЗШ - захисних шарів; ФМШ - маркувальних шарів.

САПР PCAD + IMPULS забезпечує виконання наступних функцій:

підготовка вихідних даних для проектування блоків елементів;

проектування блоків елементів;

розробка конструкторської документації;

розробка фотошаблонів і машинних носіїв для управління верстатів з ЧПК;

введення бази даних.

4.1.2 Конфігурація САПР PCAD+IMPULS

У цьому підрозділі наведена рекомендована конфігурація САПР, обмовляються розміщення компонентів САПР на дисках.

У конфігурації САПР введені скорочення:

BI - бібліотека комплектуючих виробів;

EXE - прикладне програмування забезпечення САПР;

DRV - драйвера периферійних пристроїв;

PLB - бібліотечний архів компонентних (конструктивних) макросів ЕРЕ;

SLB - бібліотечний архів схемних макросів ЕРЕ;

LIB_K - бібліотека конструктивів ДДП і БДП;

LIB_PS - бібліотека графічних образів контактних площадок;

LIB_SSF - каталог графічних образів контактних площадок;

LIB_UST - бібліотека креслень установок ЕРЕ на друковану плату;

LIB_SH - бібліотека базових фрагментів креслень друкованих плат і складальних креслень;

LIB_F - бібліотека базових фрагментів фотошаблонів;

PROJ - директорія проектів ("папок") користувачів.

При використанні такої конфігурації системи забезпечується виклик усіх програм з "папок" користувача.

Рисунок 4.1 - Рекомендована конфігурація системи PCAD+IMPULS

4.1.3Основні етапи проектування блоків елементів

Процес проектування блоків елементів виконується в наступній послідовності.

Етап 1. Введення переліку ЕРЕ.

Введення опису переліку ЕРЕ виконується з "папки" користувача програмою XGE в опції "W - введення елементів" великими літерами російського алфавіту.

Після опису ЕРЕ виконати опції "F - створення файлу. FIL "і" L - друк лістингу". В результаті виконання цих опцій буде сформований файл відповідностей між схемними (SLB) та компонентними (PLB) макросами і таблиця опису ЕРЕ.

Етап 2. Опис і введення схеми електричної принципової. Може виконуватися графічним і символьним способом.

Текстовий введення опису ЕЗ може бути виконане у текстовому редакторі Multi Edit або в системному редакторі оболонки NC, VC, яке викликається клавішею F4. В результаті отримуємо файл з розширенням - ALT.

Графічний введення опису ЕЗ виконується в графічному редакторі PC-CARDS (режим DETL). Коди схемних макросів для використовуваних в ЕЗ ЕРЕ формуються після виконання опції "L - друк лістингу" програми XGE - SYM.

Процес введення опису ЕЗ графічним способом докладно викладено в пункті 4.2

Етап 3. Розміщення ЕРЕ

Розміщення ЕРЕ з оптимізацією сумарної довжини зв'язків та рівномірного заповнення монтажного простору зв'язками виконується в графічному редакторі PC-PLACE. Розрізняють послідовне автоматичне розміщення (команда PLACE), автоматичне ітераційне розміщення (команда IMPR / COMP, IMPR / GATE) і інтерактивне розміщення ЕРЕ (команди MOVE / COMP, ROT / COMP, SWAP / GATE та ін)

Етап 4. Трасування друкованих з'єднань.

Автоматична трасування друкованих з'єднань ДДП і БДП виконується програмою PC-ROUTE, яка забезпечує послідовну автоматичне трасування з'єднань і автоматичну ітераційну трасування вспоруванням, тобто видалення невдало прокладених раніше друкованих провідників.

Етап 5. Випуск текстових документів.

Проводиться за допомогою програми KD.

Етап 6. Випуск графічних документів.

Проводиться за допомогою програми PCCARDS, яка забезпечує формування файлу. PLT. А також програм DECODER і SYMBOL.

4.1.4 Технічні засоби САПР колективного використання

Комплекс технічних засобів вирішує завдання:

введення вихідних даних;

відображення введеної інформації з метою її контролю і редагування;

перетворення інформації (зміна формату даних, виконання логічних і інших операцій);

зберігання інформації;

документування конструкторської документації в графічній і текстовій формі;

забезпечення оперативного спілкування людини і САПР.

При цьому до технічних засобів пред'являються наступні вимоги:

зручність використання інженерами проектувальниками, можливість оперативної взаємодії;

достатня продуктивність і об'єм оперативної пам'яті для вирішення задач автоматизованого проектування;

можливість одночасної роботи з комплексом технічних засобів необхідного числа користувачів;

відкритість комплексу технічних засобів для розширення і модернізації системи;

висока надійність, прийнятна вартість.

Для нормальної роботи до складу комплексу технічних засобів повинні входити:

ЕОМ;

зовнішні запам'ятовуючі пристрої;

пристрої машинної графіки;

технічні засоби теледоступу і мереж;

пристрої введення-виведення інформації.

Пристрої машинної графіки поділяються на:

пристрої введення інформації;

пристрої виводу інформації;

комбіновані пристрої введення-виведення інформації.

Розрізняють напівавтоматичні (кодувальники, дигітайзери) і автоматичні (сканери) пристрої введення графічної інформації.

Пристрої виведення графічної інформації мають більш широку класифікацію.

Залежно від способу реєстрації зображення пристрою виводу графічної інформації ділять на механічні, електронні та оптичні.

У механічних пристроях реєстрації зображення виконується за допомогою кулькових або голчастих пір'я, фломастерів або безконтактних пишучих вузлів, які отримали назву струменеві. Носієм інформації є папір. Такі пристрої називаються графобудівники або плоттери.

В електронних пристроях виводу графічної інформації промінь викреслює задану фігуру на екранах монітора.

В оптичних пристроях виводу графічної інформації для реєстрації зображення використовується світловий промінь, скануючий по світлочутливої папері або лазерний промінь, скануючий по селенового барабану.

Залежно від конструкторського виконання пристрої виведення графічної інформації діляться на планшетні і рулонні.

У планшетних пристроях папір закріплюється на столі, а пишучий вузол рухається по двох координатах.

У рулонних пристроях виводу графічної інформації пишучий вузол рухається по одній координаті, а папір рухається по іншій координаті за допомогою крокового двигуна.

Залежно від кріплення носія та пристрої виведення графічної інформації ділять на пристрої з вакуумними присосками, з електростатичними присосками та механічним кріпленням.

За методом формування зображення пристрою виводу графічної інформації ділять на векторні і растрові.

4.2 Графічне введення опису схеми електричної принципової

PC-CAPS - графічний редактор схемотехніки для друкованих плат (ДП). PC-CAPS-складова частина системи автоматизованого проектування PCAD + IMPULS.

Використовуючи PC-CAPS, можна почати проектування ДП із введення схеми в PC-CAPS і її перевірки програмою PC-ERC, з бази даних схеми можуть бути вилучені списки ланцюгів програмою PC-NODES, а потім ці списки можуть надходити на вхід інших програм системи PCAD, що займаються трасуванням розведення друкованої плати.

Шари - це прозорі плівки, які при накладенні один на одного дозволяють створити малюнок плати, що містить необхідну інформацію. Для того щоб можна було окремо редагувати і малювати частина інформації на платі, можна присвоїти кожному типу даних різні верстви. Наприклад, зазвичай вводять електричні з'єднання на шарі WIRES, імена контактів на шарі PINNAM, а атрибути на шарі ATTR.

Використовуючи команду VLYR можна відображати на екрані різні шари. Шари можуть бути активні (активним є шар, на якому в даний момент можна розміщувати дані).

Схемотехніка ДП редагується усередині прямокутника з системою координат у вигляді сітки. Відстань між точками сітки вимірюється в одиницях бази даних. У PC-CAPS прийняті одиниці - це 1 мілі-дюйм (Мілс) або 0.001 дюйма або ж 0.01 мм для метричної системи. За умовчанням в обох напрямках встановлюється сітка 50 одиниць. Можна змінити крок сітки і ширину лінії, вибравши опцію проміжку у рядку стану.

Чотири опції рядка стану в правій її частини відносяться до різних аспектів призначення сітки. Перший з них управляє проміжками сітки. Другий ("S") дозволяє включає / відключати видимість сітки. Третій ("G") дозволяє включає / відключати прив'язку до сітки. Коли прив'язка включена, курсор переміщується тільки по точках сітки. Найбільша права опція рядка стану показує поточний стан всередині сітки (координати x, y).

Компоненти представляють собою блоки, з яких будується електрична схема. Для PC-CAPS як компоненти (або елементів) використовуються логічні вентилі (терміни компоненти, вентилі та схемотехнічні елементи використовуються взаємозамінне). Файли схемотехнічних компонентів зазвичай мають розширення. SYM.

Фізичний корпус компонента представляється в PC-CAPS як упаковка його логічних вентилів. Упаковкою називається відповідність між контактами логічних вентилів і контактами топологічних елементів.

Ця відповідність вказує, де фізично в топологічної елементі знаходиться контакт кожного вентиля. При побудові вентиля в PC-CAPS для завдання такої інформації служить команда SCMD / PNLC. Крім того, в PCAD є спеціальна програма роботи з інформацією про упакування елемента PC-COMP.

Запуск програми PC-CAPS проводиться набором команди PCCAPS в директорії, в якій буде відбуватися створення схеми електричної принципової.

Після цього на екрані з'явиться титульний екран PC-CAPS, а потім відкриває меню PC-CAPS.

Що відкриває меню представляє наступні опції:

1. Configure PC-CAPS - конфігурація PC-CAPS дозволяє викликати екран конфігурації для адаптації PC-CAPS до особливостей конкретного застосування.

2. Edit database - редагування бази даних - дозволяє викликати програму PC-CAPS для створення і редагування схеми або схемного елемента.

3. Exit PC-CAPS - вихід з PC-CAPS - дозволяє повернутися в DOS.

Екран зображення призначений для зображення редагованої схеми або елемента. Меню команд призначено для меню і підменю команд графічного редактора. Зона повідомлень призначена для діалогової зв'язку між користувачем і програмою. У цій зоні крім усього іншого показуються та повідомлення про помилки. Рядок стану показує поточні параметри активного команди, включаючи активні верстви, поточну координатну сітку, координати курсору та іншу інформацію про вибрану команді.

Команди зображуються в двох колонках в правій частині екрана. Два набори команд викликаються за допомогою команди SYMB режиму (символьний) і DETL (детальний) у верхній частині меню. Команди SYMB використовуються для введення компонентів, які повинні бути додані до бібліотеки компонентів, а команди режиму DETL використовуються для редагування схемотехніки ДП.

Якщо команда має подкоманди, то подкоманди зображуються жовтим кольором в області підменю при виборі команди.

Рядок стану розташований в нижній частині екрана поруч з рядком повідомлень. У рядку стану розміщені параметри поточної роботи: активний шар, поточна сітка, координати курсору та інша інформація, в залежності від обраної команди.

Область малювання може мати розмір 60000 * 60000 в одиницях виміру. Поточні координати курсора X і Y поміщаються в правому полі рядка стану.

Сітка - це конструкторське засіб, який забезпечує те, що провідники будуть рівними, а компоненти будуть знаходитися на одній лінії.

Електричні зв'язки вводяться командами ENTR / WIRE і EDIT / WIRE зазвичай на шарі WIRES.

Електричні зв'язки ланцюга можна іменувати командою NAME / NET. При введенні електричного зв'язку можна натиснути клавіші F3 і ввести ім'я актуальною ланцюга.

Шина представляє собою упорядкований набір сигналів, що йдуть до одного пристрою. Електричні зв'язку шини проводяться паралельно один одному. PC-PAPS має спеціальну команду для створення шини - ENTR / BUSB.

COPY (Копіювання)

Копіює об'єкти один і більше разів.

COPY працює як команда копіювання окремого елемента або, при використанні подкоманд WIN і IDEN, групи об'єктів за одну операцію. У режимі DETL можна вказувати як електричні зв'язки, так і компоненти.

DEL (видалення)

За одну операцію видаляє один або більше об'єктів.

DEL / IDEN (Видалення / групове)

Видаляє набір індивідуально зазначених об'єктів.

DEL може використовуватися як самостійна команда для видалення одиночних об'єктів або набору об'єктів при використанні подкоманд WIN і IDEN. Подкоманда UNDO відновлює останній віддалений об'єкт, якщо вказується безпосередньо після видалення. Однак UNDO не працює після DEL / WIN і DEL / IDEN. У режимі DETL можна видаляти електричні зв'язки і компоненти.

DRAW (Малювання)

Виводить підменю для малювання ліній, прямокутників, заштрихованих прямокутників, кіл, дуг, тексту.

EDIT (Редагування)

Має графічне підменю для редагування зламів і сегментів ліній і провідників, а також редагування переходів.

ENTR (Вставка)

Забезпечує графічне підменю для вставки контактів, точок прив'язки, компонентів і електричних зв'язків, а також перенумерацію контактів вентиля, від'єднання контактів і створення шин.

MOVE (Зсув)

Забезпечує паралельне переміщення компонентів або графічної інформації з одного положення в інше.

NAME (Іменування)

Має підменю для іменування компонентів і ланцюгів.

PAN (Зрушення вікна)

Зрушує поточне вікно зображення в нове положення. Положення курсору показує центр майбутнього вікна.

QRY (Опитування)

Має підменю для опитування компонентів, контактів компонентів, ланцюгів, тексту, електричних зв'язків, ліній критичних шляхів і груп. Дозволяє змінювати тип контакту, графічні значення тексту, а також ширину електричних зв'язків та ліній.

RCL (Виклик вікна)

Викликає на екран вікна зображень, попередньо збережені по команді STO.

REDR (Оновити екран)

Перезаписує поточне вікно зображення і продовжує виконання команди, перерваної REDR.

ROT (Поворот)

Забезпечує обертання об'єктів проти годинникової стрілки з кроком 90 градусів.

STO (Запам'ятати вікно)

Забезпечує запам'ятовування вікна зображення для подальшого виклику командою RCL.

SYS (Система)

Має підменю для виконання наступних системних операцій: перегляд директорії, перегляд вмісту файлу, підготовка зображення для виведення на зовнішні пристрої і вихід.

VLYR (Параметри шарів)

Має меню для включення відображення, редагування статусу і створення шарів зображення.

VWIN (Вікно відображення)

Визначає нове вікно зображення, яке автоматично масштабується в розмір екрану.

ZIN (Збільшення зображення)

Збільшує зображення в околицях курсору в два рази, розміщує курсор в центрі екрана.

ZOUT (Зменшення зображення)

Зменшує зображення в околицях курсору в два рази, розміщує курсор в центрі екрана.

Висновок

У результаті виконаної роботи розроблено блок контролю і управління, що реалізований на двосторонній друкованій платі. За конструктивним і габаритним вимогами він повністю відповідає вимогам технічного завдання.

Проведено розрахунок надійності блоку, з якого видно, що розроблений блок може безвідмовно працювати протягом 247019 годин. Цей час безвідмовної роботи задовольняє технічним вимогам виробу.

У результаті виконаного теплового розрахунку блоку було встановлено, що конструкція блоку обрана вдало. Розрахунок надійності показав, що вірогідність безвідмовної роботи після 10 тис. годин склала 0,989, що повністю задовольняє технічному завданню.

При виконанні технологічної частини проекту була вибрана послідовність типових технологічних операцій для виробництва і збірки пристрою. Для підвищення технологічності і зменшенню часу виготовлення блоку був вироблений вибір автоматичного устаткування для установки КПМ на ПП, розрахований комплексний показник технологічності пристрою, на підставі якого був зроблений висновок про не достатню технологічність пристрою, що розробляється, і впливаючих на неї чинників.

У даному дипломному проекті розроблений автоматизований технологічний процес збирання та монтажу електронної апаратури.

Література

1. Горобец А.И. и др. Справочник по конструированию радиоэлектронной аппаратуры (печатные узлы). - К.: Технiка, 1985. - 312 с.

2. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/Б.П. Кудряшов, Ю.В. Назаров, Б.В. Тарабрин. - М.: Радио и связь, 1981. - 160 с., ил.

Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Н. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Сов. радио, 1976. - 232 с.

3. Методические указания для лабораторных работ по дисциплинам “Основы конструирования электронных вычислительных средств" и “Основы конструирования БЭА" /Авторы: Ганжа С.М. - Северодонецк: СТИ, 2004 г. - 40 с.

4. Технология и автоматизация производства РЭА/Под редакцией А.П. Достанко, Ш.М. Чабдарова. - М.: Радио и связь, 1989. - 624 с.

5. Павлов С.П. и др. Охрана труда в приборосроении. - М.: Высшая школа, 1986.

6. Справочник конструирования РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред.Р.Г. Варламов. - М.: Сов. радио, 1980. - 480 с.

7. Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1981. - 296 с.

8. Автоматизация и механизация сборки и монтажа узлов на печатных платах / Под ред. Журавского В.Г. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

9. Медведев А.М. Надёжность и контроль качества печатного монтажа. - М.: Радио и связь, 1986. - 216 с.

10. Технология ЭВА, оборудования и автоматизация: учебное пособие для студентов вузов специальности "Конструирование и производство ЭВА" / Алексеев В.Г., Гриднев В.Н., Нестеров Ю.И. и др. - М.: Высшая школа, 1984. - 392 с.

11. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу '' Автоматизация конструкторско-технологического проектирования ЭА и БЭА" (для студентов, обучающихся по направлению 7.0910, специальности: 7.091001,7.091003) / Сост. Е.П. Герасименко. - Северодонецк. - 2004. - 15с.

12. ГОСТ 23752-94. Платы печатные. Требования и методы конструирования.

13. ГОСТ 2783-94. Требования к установке навесных элементов на печатную плату.

Додаток а

Таблиця 1 - Вихідні дані

Таблиця 2 - Результати розрахунку

Додаток Б

Таблиця 1 - Вихідні дані

Кількість пайок - 236

Кількість закруток - 0

Интенсивность отказа узла/блока l=4,047780 час^-1

Среднее время безотказной работы Tсрб= 247019,00 часов

Таблиця 2 - Імовірність відмов безвідмовної роботи