3 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

3.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

Исходные данные для расчета:

К - коэффициент заполнения, К = 2…3, принимаем К = 2;

Суммарная площадь занимаемая радиоэлементами на узле А1    (таблица 1.4), SΣ = 990 мм2;

Суммарная площадь занимаемая радиоэлементами на узле А2   (таблица 1.4), SΣ = 6095 мм2;

 - суммарный объем всех ЭРИ (таблица 1.4), ∑VЭРИ = 98332 мм3;

 - суммарная масса всех ЭРИ (таблица 1.4), ∑МЭРИ = 335 г;

Находим общую площадь узла А1:

   мм2,                                                             (3.1)

 мм2.

Согласно ГОСТ 10317-79 принимаем размеры платы 50×40 мм.

Находим общую площадь узла А2 по формуле (3.1):

 мм2.

Согласно ГОСТ 10317-79 принимаем размеры платы 160×80 мм.

Коэффициент заполнения устройства по объему:

 ,                                                                      (3.2)

где  - объем проектируемого устройства, мм3 (габаритные размеры корпуса 250´160´120 мм3 определены в п. 2 Разработка конструкции изделия);

.

Объемная плотность устройства:

,                                                                 (3.3)

   (г/мм3).

3.2 Расчет параметров электрических соединений

Узел управления прибором (А1) выполнен на двусторонней печатной плате с металлизацией сквозных отверстий из СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78 толщиной 1,5 мм (толщина фольги – 0,035 мм). ДПП с металлизацией переходных отверстий отличается высокой трассировочной способностью, обеспечивает высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления, она допускает монтаж элементов на поверхности и является наиболее распространенной в производстве радиоэлектронных устройств.

Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы. В первую очередь это относится к минимальной ширине проводников, минимальному зазору между элементами проводящего рисунка  и к ряду других параметров.

По ГОСТ 23.751-86 предусматривается пять классов точности печатных плат, которые обусловлены уровнем технологического оснащения производства. Выбран 4-ий класс точности ОСТ 4.010.022— 85. Метод изготовления печатной платы – комбинированный [3].

Расчет печатного монтажа состоит из трех этапов: расчет по постоянному и переменному току и кон­структивно-технологический.

Исходные данные для расчета печатного монтажа узла А1:

Диаметры выводов для элементов HG1, HG2, DD1, HL1 и XP1 равны 0,7 мм – 1-я группа; для элементов SA1-SA4 равны 0,8 мм – 2-я группа; для переходных отверстий равны 0,2 – 3-я группа;

1.                 Imax — максимальный постоянный ток, протекающий в провод­никах (определяется из анализа электрической схемы),  Imax = 0,1  A;

2.                 Толщина фольги, t = 35  мкм;

3.                 Напряжение источника питания, Uип = 5  В;

4.                 Длина проводника, l = 0,02  м;

5.                 Допустимая плотность тока, jдоп = 48 А/мм2;

6.                 Удельное объемное сопротивление ρ = 0,0175 Ом·мм2/м;

7.                 Способ изготовления печатного рисунка: комбинированный позитивный.

Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводни­ка по постоянному току для цепей питания и заземления:

,                                                                              (3.4)

где  bmin1 - минимальная ширина печатного проводника, мм;

jдоп - допустимая плотность тока, А/мм2;

  t – толщина проводника, мм;

  мм.

Определяем  минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

 ,                                                                          (3.5)

где ρ — удельное объемное сопротивление [3], Ом·мм2/м;

l — длина проводника, м;

Uдоп— допустимое падение напряжения, определя­ется из анализа электрической схемы. Допустимое падение напря­жения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем.

  мм.

Определяем ширину bmin3, проводников при изготовлении комбинированным позитивным методом, мм:

,                                   (3.6)

где b1min — минимальная эффективная ширина проводника      b1min=0,15 мм для плат 4-го класса точности.

   мм.

Принимаем bmin = max{bmin1, bmin2, bmin3} = 0,23  мм

Максимальная ширина проводников, мм:

                                   (3.7)

                                      мм.

Определяем  номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

,                                                  (3.8)

где dэ — максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

Δdн.о — нижнее предельное отклонение от номинального диаметра       монтажного отверстия, Δdн.о = 0,1  мм;

r — разница между минималь­ным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах от 0,1  до 0,4 мм. Примем r = 0,1  мм.

d1 = 0,7+0,1+0,1 = 0,9  мм;

d2 = 0,8+0,1+0,1 = 1 мм;

d3 = 0,2+0,1+0,1 = 0,4 мм;

Рассчитанные значе­ния d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Принимаем для выводов 1-й группы        d1 = 0,9  мм; для второй - d2 = 1 мм; для третей – d3 = 0,6 мм.

Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, мм:

,                                 (3.9)

   где t — толщина фольги, мм;

   D1min— минимальный эффективный диаметр площадки, мм:

,                      (3.10)

где bм — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, [3],  bм=0,025 мм;

δd и δр — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [3], δd=0,05 мм и δр=0,15 мм;

dmax — максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

,                              (3.11)

где Δd — допуск на отверстие, мм, [3], (d≤1, Δd=0,05мм; d≥1,  d=0,1мм).

Для 1-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 2-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 3-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Максимальный диаметр контактной площадки Dmax, мм:

,                               (3.12)

Для 1-й группы:

мм.

Для 2-й группы:

мм.

Для 3-й группы:

мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм:

,                (3.13)

где L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0 = 1,3 мм;

 — допуск на расположение проводников, мм, =0,03.

мм,

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:

,                                     (3.14)

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками, мм:

,                                (3.15)

мм.

Силовой узел (А2) выполнен на двусторонней печатной плате с металлизацией сквозных отверстий из СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316-78 толщиной 1,5 мм (толщина фольги – 0,050 мм).

Выбран 3-ий класс точности ОСТ 4.010.022— 85. Метод изготовления печатной платы – комбинированный [3].

Исходные данные для расчета печатного монтажа узла А2:

Диаметры выводов для элементов С4, С6, С9, С11, С13, С15, С16, XP2 и ZQ1 равны 0,6 мм – 1-я группа; для элементов С14, R14, R24, R25, T1 равны       0,8 мм – 2-я группа; для элементов DA1, DA2, держателей предохранителя, K1, VD16-VD19, VT5-VT10 и XT1 равны 1,3 мм – 3-я группа; переходных отверстий равны 0,3 мм – 4-я группа.

1. Imax — максимальный постоянный ток, протекающий в провод­никах (определяется из анализа электрической схемы),  Imax = 0,7 A – для цепей управления; Imax = 10  А – для силовых цепей питания; Imax = 3,3  А – для цепей силовых транзисторов;

2. Толщина фольги, t = 50 мкм;

3. Напряжение источника питания, Uип = 20 В – для цепей управления;        Uип = 380 В – для силовых цепей;

4. Длина проводника, l = 0,1  м;

5. Допустимая плотность тока, jдоп = 38 А/мм2;

6. Удельное объемное сопротивление ρ = 0,0175 Ом·мм2/м;

7. Способ изготовления печатного рисунка: комбинированный позитивный;

Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводни­ка по постоянному току для цепей питания и заземления по формуле (3.4):

для цепей управления:   

 мм,

для силовых цепей:

 мм.

для цепей силовых транзисторов:

 мм.

Определяем  минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем по формуле (3.5):

для цепей управления:

  мм,

для силовых цепей:

 мм.

для цепей силовых транзисторов:

 мм.

Определяем ширину bmin3, проводников при изготовлении комбинированным позитивным методом по формуле (3,6), мм:

b1min=0,25 мм для плат 3-го класса точности.

   мм.

Принимаем для цепей управления b1min=max{b1min1,b1min2, bmin3}=0,37мм; для силовых цепей b2min = max{b2min1, b2min2, bmin3} = 5,2 мм. Для уменьшения ширины печатного проводника силовых цепей коммутация элементов производится с 2-х сторон печатной платы, следовательно ширину проводника можно уменьшить до 2,6 мм; для цепей силовых транзисторов b3min = max{b3min1, b3min2, bmin3} = 1,7 мм..

Максимальная ширина проводников рассчитана по формуле (3.7), мм:

для цепей управления:

мм,

для силовых цепей:

мм,

для цепей силовых транзисторов:

мм.

Определяем  номинальное значение диаметров монтажных отверстий по формуле (3.8) мм:

Δdн.о = 0,1  мм;

r = 0,1  мм.

d1 = 0,6+0,1+0,1 = 0,8  мм;

d2 = 0,8+0,1+0,1 = 1  мм;

d3 = 1,3+0,1+0,1 = 1,5 мм;

d4 = 0,3+0,1+0,1 = 0,5 мм;

Рассчитанные значе­ния d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Принимаем для выводов 1-й группы      d1= 0,8  мм; для второй - d2 = 1 мм; для 3-й группы d3 = 1,5 мм; для 4-й группы d4 = 0,5 мм.

Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП по формулам (3,9; 3,10; 3,11), мм:

bм — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, [3],  bм=0,035 мм;

δd и δр — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [3], δd=0,08 мм и δр=0,2 мм;

Δd — допуск на отверстие, мм, [3], (d≤1, Δd=0,05мм; d≥1Для 1-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 2-й группы:

   мм;

   мм;

Для 3-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 4-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Максимальный диаметр контактной площадки Dmax определен по формуле (3.12), мм:

Для 1-й группы:

мм.

Для 2-й группы:

мм.

Для 3-й группы:

мм.

Для 4-й группы:

мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой рассчитано по формуле (3.13), мм:

L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм,       L0 = 1 мм;

          — допуск на расположение проводников, мм, =0,05 [3].

мм,

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками рассчитано по формуле (3.14), мм:

L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм,       L0 =2,5 мм;

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками рассчитано по формуле (3.15),  мм:

L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0=0,9 мм;

мм.

Контактные площадки для поверхностно монтируемых элементов выбираются исходя из их установочных размеров. Для конденсаторов размеры контактных площадок 1,2×0,8 мм; для элементов R1-R11, R13,    R15-R23 - 2×0,8 мм; для элементов R12, VD12-VD15 – 1,2×1 мм; для диодов VD1-VD11 - 1,2×3 мм; для транзисторов VT1-VT4 – 0,8×0,8 мм.

Таким образом, параметры печатного монтажа узла А1 отвечают требованиям, предъ­являемым к платам 4-го класса точности. Имеем диаметр отверстия/диаметр контактной площадки (мм) для элементов 1-й группы  0,9/1,6; для элементов 2-й группы – 1/1,8; для переходных отверстий – 0,4/1. Принимаем ширину печатного проводника равной 0,3 мм, минимальные расстояния между: проводником и контактной площадкой – 0,17 мм; двумя контактными площадками - 0,6 мм; двумя проводниками - 0,24мм.

Параметры печатного монтажа узла А2 отвечают требованиям, предъ­являемым к платам 3-го класса точности. Имеем диаметр отверстия/диаметр контактной площадки (мм) для элементов 1-й группы  0,8/1,7; для элементов 2-й группы – 1/1,9; для элементов 3-й группы – 1,5/2,4; для переходных отверстий – 0,7/1,2. Принимаем ширину печатного проводника равной 0,4 мм для цепей управления; 2,6 мм (двухсторонний проводник) для силовых цепей и 1,7 мм для цепей  силовых транзисторов, минимальные расстояния между: проводником и контактной площадкой – 0,4 мм; двумя контактными площадками - 0,4 мм; двумя проводниками - 0,4 мм.

3.3 Расчет радиатора

В устройстве используются теплонагруженные элементы – силовые ключи (IGBT-транзисторы). Мощность, рассеиваемая на данном транзисторе равна 15 Вт. Максимальная рабочая температура равна 150°С [3]. Для обеспечения нормального функционирования данного транзистора, необходимо использовать радиатор. Далее определены размеры ребристого радиатора для транзистора IRG4BC20KD.

Исходные данные:

предельная температура транзистора tp = 423 К;

рассеиваемая элементом мощность Р = 15 Вт;

температура окружающей среды to = 318 K;

тепловое сопротивление между рабочей областью транзистора и его корпусом Rвн = 0,5° С/Вт;

Перегрев места крепления прибора с радиатором, К:

;                                   (3.16)

где , 1/м2 ;

Sk – площадь контактной поверхности (Sk = 1,5·10-4 м2).

 1/м2;

 К.

Средний перегрев основания радиатора в первом приближении, К:

;                                         (3.17)

 К.

Удельная мощность рассеяния, K/м2:

q = P/Sp;                                                (3.18)

где Sp – площадь основания радиатора (в данном случае задается ориентировочно  Sр = 0,0016 м2),

q = 15/0,0016 = 9375 K/м2.

По графику рисунка 4.21 [3] определен тип радиатора с учетом того, что площадь его основания равна 0,0016 м2.

Выбран ребристый радиатор со следующими геометрическими размерами: размеры основания L1 = L2 = 40 мм; высота ребра h = 32 мм; расстояние между ребрами Sш = 10 мм; толщина ребра δ1 = 1 мм; толщина основания δо = 5 мм.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14