Основы конструирования и технологии РЭС. 2

МОСКОВСКИЙ  АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

_______

 

Кафедра 404

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине:

   "Основы конструирования и технологии РЭС"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                   Выполнил: Малахов И.Ю.

                             группа 04-315

 

    Принял:

Васильева Т.Ю.

 

                                                                                                      

 

 

 

МОСКВА 2011

Содержание

 

 

Введение...................................................................................................................................................3

1.Техническое  задание........................................................................................................... ………....4

2. Выбор элементной базы.....................................................................................................................6

    2.1. Выбор типа конструкции и компоновочной схемы модуля……………………………...….6

    2.2. Параметры и характеристики используемых  навесных элементов…………….……….…..6

3. Выбор системы  охлаждения..............................................................................................................8

4. Расчет элементов печатной платы и её площади…………………………………………....…….9

5. Выбор корпуса………………………………………………………………...................................11

6. Тепловое моделирование и расчёт теплового режима конструкции……………...……....……12

7. Расчёт вибропрочности………………………………………………………...……………...…...16

8. Способ крепления ПП к корпусу …………………………….……………………………..…….18

Заключение……………………………………………………………………………………....……19

Список использованной литературы……………………………………………..…………….……20

9. Приложение  А...………………………………………………………………………….…..…….21

10. Приложение Б…………………………………………………………………………….……….22

11. Приложение В…………………………………………………………………………….……….23

12. Приложение  Г……………………………………………………………………………………..25

13. Приложение Д……………………………………………………………………………………..27

14. Приложение Е…………………………………………………………………………….…….....28

15. Приложение Ж...………………………………………………………………………….…….....29

16. Приложение  З………………………………………………………………………………....…..30

17. Приложение  И...……………………………………………………………………………...…...31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 

Цель  курсового проекта (работы) - закрепить, систематизировать и расширить  теоретические знания студентов, полученные после освоения курса "Конструирование и расчет РЭС".

Задачами  проектирования являются:

1) овладение  студентами навыками конструкторского  проектирования наиболее распространенных  изделий микроэлектронной техники:  гибридных интегральных схем  и микросборок, включая изучение  технической литературы по проектированию (конструированию) микросхем, анализ  принципиальной электрической схемы,  заданного микроэлектронного изделия,  которое должно быть реализовано  в виде интегральной схемы;  выбор материалов, выбор и обоснование  элементной базы, проведение топологических  расчетов, решение задач размещения  элементов и трассировки соединений  в ГИС (МСБ) и др.;

2) овладение  практическими навыками в разработке  рабочей конструкторской документации  в соответствии с требованиями  ЕСКД;

3) разработка  проектной и рабочей конструкторской  документации на регулятор температуры жала паяльника.

При выполнении данного курсового проекта  необходимо:

- провести  выбор элементной базы, анализ  и конструкторско-технологическую  отработку принципиальной электрической  схемы;

- выбрать  технологический метод изготовления  БГИС (МСБ);

- разработать  топологию регулятора температуры жала паяльника, произведя предварительно расчет пассивных элементов;

- провести  тепловой расчет и расчет паразитных  связей, на основе которых скорректировать  (при необходимости) топологический  чертеж;

- разработать  конструкторскую документацию, включающую  графическую часть и пояснительную  записку.

 

 

 

 

 

 

1.Техническое задание на разработку конструкторского изделия.

 

1. Наименование и область применения:

    Управление питанием компьютерной системы. Пользователь получает возможность дистанционно включать и выключать вместе с компьютером все периферийные устройства.

2. Основание для разработки:

    Основанием для разработки служит задание на курсовое проектирование, выданное кафедрой №404.

3. Цель и задача разработки:

     Целью разработки служит комплект конструкторско-технологической документации на регулятор температуры жала паяльника.

 Задачами  являются: схемотехническая отработка конструкции, разработка конструкции, оценка показателей качества, оформление конструкторской документации.

4. Источники разработки:

4.1. Статья из журнала ”Радио” 10,2008 ,стр. 10

5. Технические (тактико-технические)  требования.

5.1. Состав изделия и требования  к его конструкции:

       Все детали устройства, кроме кнопок SB1 и SB2, включателя SA1 и указателя мощности PA1, устанавливаются на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм. Корпус изделия должен быть выполнен в форме параллелепипеда и сделан из пластика. Питание должно осуществляться от сети переменного тока с применением стандартных разъёмов. Габаритные размеры не должны превышать 115*80*85. Масса не более 400г.

5.2. Показатели назначения:

      Мощность нагрузки 220 Вт.

     Напряжение источника питания 220 В.

5.3. Требования к надёжности:

       Вероятность безотказной работы 85% в течение 10000 часов.

5.4 Требования к уровню унификации  и стандартизации:

       Использовать стандартные изделия  и материалы.

5.5. Требование к безопасности:

        Изделие должно быть безопасно при монтаже, эксплуатации и ремонте.

5.6. Эстетические, энергометрические  требования

        Изделие должно быть удобно  в обслуживании и использовании.

5.7. Условия эксплуатации:

        Изделие должно выдерживать:

-диапазон  температур от -10 ⁰С до +60⁰С

 -влажность до 85%

5.8. Требования к транспортировке  и хранению:

       Конструктор должен обеспечить  возможность транспортировки изделия, наземным транспортом в упакованном виде. Требования к упаковке разрабатывает конструктор.

6. Комплектность документации:

      Расчётно-пояснительная записка должна содержать: задание на курсовое проектирование, введение, техническое задание на разработку РЭС, анализ технического задания, конструкторский анализ схемы электрической принципиальной, разработку конструкции МСБ, разработку конструкции ФЯ РЭС,  разработку конструкции РЭС,  разработку технологического процесса изготовления МСБ, заключение, библиографию, содержание.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор элементной базы.

2.1 Выбор типа конструкции и компоновочной схемы модуля.

Выбор типа конструкции и компоновочного решения блока обусловливается  объектом установки РЭС, видом и  интенсивностью воздействия внешних  дестабилизирующих факторов. В свою очередь тип конструкции в  значительной степени определяет свойства внутренней структуры блоков    РЭС.

В основном применяются три типа конструкций: разъёмная, кассетная и книжная.

 

 

2.2 Параметры и характеристики используемых навесных элементов.

 

Параметры используемых элементов занесем в таблицу 1.

 

Таблица 1.

 

Наименование	Кол-во	Обознач.	Масса    г.	Температурный режим ºС	Рисунок
Резисторы   МЛТ-0,125-15кОМ±10%   МЛТ-0,125-10кОМ±10%   МЛТ-0,25-0,1кОМ±10%   МЛТ-0,25-1кОМ±10%   Конденсаторы   К53-18-50В-220мкФ   К53-18-10В-100мкФ   К53-1-6В-1мкФ   Транзисторы   КТ972А   КП934А   Диоды   1N4004   1N5819   КД226Д   Стабилизатор   KP1158EH5B   Микроконтроллер   ATtiny12L-4SU   Микроамперметр   ЭА2230   Кнопки   Q-1735 PBS-15C ~1,5A 250В 2C 13,0´11,0   Трансформатор   ТПК-2-9В	1     2     1     1       1   1   1       1   1       2   1   4       1       1       1       2           1	R1     R2,R3     R4     R5       С1   С2   С3       VT1   VT2       VD1 ,VD2 VD3   VD4…VD7     DA1       DD1       РА1       SB1 ,SB2         Т1	0,15     0,15     0,25     0,25       6   4,5   1,5       7   3,5       0,35   0,35   0,7       3,5       5       150       3           110	от -60 до +155     от -60 до +155     от -60 до +155     от -60 до +155       от -60 до +125   от -60 до +125   от -80 до +85       от -45 до +85   от -50 до +85       от -65 до +150   от -65 до +125   от -60 до +85       от -10 до +60       от -40 до +85       от -50 до +155       от -40 до +60           от -40 до +85	Рисунок П.1     Рисунок П.1     Рисунок П.1     Рисунок П.1       Рисунок П.2   Рисунок П.2   Рисунок П.2       Рисунок П.3   Рисунок П.4       Рисунок П.5   Рисунок П.5   Рисунок П.6       Рисунок П.7       Рисунок П.8       Рисунок П.9       Рисунок П.10           Рисунок П.11

 

 

 

3. Выбор системы охлаждения.

       Массогабаритные характеристики РЭС в значительной мере зависят от способа охлаждения, обеспечивающего нормальный тепловой режим изделия. Определим величину теплового потока, рассеиваемого поверхностью изделия:

                                                                                                                             (3.1)

где - мощность потребляемая от источника питания, - коэффициент действия изделия.

Учитывая, что  сигнал очень мал по переменной составляющей, выходная мощность изделия тоже мала. Следовательно, ей можно пренебречь и рассматривать ситуацию, когда  мощность источника полностью рассеивается на элементах, т.е. КПД приблизительно равно 0.Таким образом, тепловой поток:       

= 9 Вт, соответственно  Вт

Чтобы выбрать систему охлаждения, необходимо найти поверхностную  плотность     теплового потока и допустимый перегрев конструкции:

-площадь поверхности теплообмена                                            (3.2)

- поправочный коэффициент на  давление окружающей среды

                                                                                                     (3.3)

Допустимый  перегрев в конструкции:

                                                                                (3.4)

По диаграмме определяем систему  охлаждения конструкции, по координатным точкам:

 и допустимый перегрев  в конструкции, равный 15 градусам Цельсия, положение которых соответствует естественному воздушному охлаждению системы.

                    Рисунок 3.1 – Диаграмма для определения системы охлаждения

 

Расчеты показали, что наше устройства подходит естественное воздушное охлаждение.

4. Расчет элементов печатной платы и её площади.

 

Выбираем  печатную плату 2-го класса точности ,так как такие печатные платы наиболее просты в исполнении ,надёжны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость.

  В таблице № 2. показаны конструктивные  параметры элемента печатной  платы и номинальный размер  для 2-го класса точности.

 

Таблица 2.

Минимальная ширина проводников t,мм	0,45
Минимальное расстояние между проводниками S,мм	0,45
Гарантированная ширина пояска в наружном слое bн,мм	0,2
Гарантированная ширина пояска во внутреннем слое bв,мм	0,1
Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы Кдт	0,5

 

 

 Толщина печатной платы равна 1,5 мм.

  Печатная плата выполнена из фольгированного стеклотекстолита  СФ1-50-1.

 

  Минимальный диаметр монтажного  отверстия d_мо :

d_мо  >= d_в + D + 2h_r + d_д,                                                                                                                    (4.1)

где d_в – диаметр вывода радиоэлемента,

      D = 0,3…0,6 мм – зазор между поверхностью вывода и поверхностью  отверстия,

      h_r = 0,04…0,06 мм – толщина гальванически осаждаемой меди,

      d_д =0,01 мм – погрешность диаметра отверстия.

d_мо  >=0,99 мм.

Из  предпочтительных диаметров рассчитанного  выше отверстия выбираем:

  d_мо=1 мм.

 

  Минимальный диаметр контактной  площадки d_кп : 

d_кп=2*[b_н +(d_мо/2) + d_o + d_кп] + d_фф +1,5h_ф ,                                                                                   (4.2)

где d_o = 0,07 мм – погрешность расположения отверстия,

      d_кп = 0,15 мм – погрешность расположения контактной площадки,

      d_фф = 0,06 мм – погрешность фотокопии и фотошаблона,

      h_ф = 50*10^-3 мм – толщина фольги на диэлектрическом основании.

d_кп=2,275 мм.

 

  Минимальная ширина проводника  t_пр :

t_пр=t+d_фф+1,5h_ф=0.45+0.06+1.5*50*10^-3=0,585мм.                                                                          (4.3)

  Минимальное расстояние между  проводниками S_пр :

S_пр = l_ол – (t_пр + 2d_сп),                                                                                                                       (4.4)

где l_ол = 0,9 мм – расстояние между осевыми линиями проводников,

      d_сп = 0,05 мм – погрешность смещения проводников.

 

S_пр =0.9-(0.585+2*0.05)=0,215 мм

Так как полученное значениедля выбранного класса точности платы, то расстояние увеличивать не надо.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор корпуса.

 

Выбор корпуса будем производить, основываясь на габаритных размерах  нашей печатной платы и размерах устанавливаемых элементов. Данным требованиям соответствует корпус G2120

 

 

Рисунок 7.1                                                                                                                  Рисунок 7.2

Герметичный корпус

G2120 — герметичный корпус светло  серого цвета, производство осуществляется  из поликарбоната. Обеспечивается  защита от проникновения пыли  и влаги по стандарту IP65. Габаритные  размеры составляют: по длине  115мм, по ширине 80мм и по высоте 85мм. На внутренней поверхности  корпуса отлиты стойки для  горизонтального размещения печатных  плат.

Характеристики

Размеры, мм	115x80x85
Материал	Поликарбонат
Цвет	Светло серый
Возможность установки печатных плат	Горизонтально, стойки
Герметичность	Да
Степень защиты	IP65

 

Данный корпус доработаем для установки микроамперметра и 2-ух кнопок. Для этого будет необходимо вырезать три отверстия в крышке корпуса, также необходимо сделать отверстие в боку корпуса для выводов. Степень защиты IP65 нарушится.

 

6.Тепловое моделирование и расчет теплового режима конструкции.

 

Тепловой  режим разработанной конструкции  должен соответствовать требованию нормального теплового режима: температура  в любой точке конструкции  не должна превышать допустимой рабочей температуры наименее теплостойкого элемента . Следовательно, поверочный расчет теплового режима необходимо доводить до определения температур .

Однако на практике условия нормального теплового  режима конструкции приобретает  иное толкование, связанное с особенностями  тепловой модели конструкции.

Закономерности  процессов теплообмена конструкций  РЭС с окружающей средой в значительной мере определяются их структурой. Поэтому  многообразие существующих конструкций  можно представить классами, для  каждого из которых характерна своя тепловая модель и набор показателей, необходимых для оценки теплового  режима. Одним из признаков классификации  может служить структура нагретой зоны конструкции.

Разрабатываемая конструкции РЭС выполнена на одной печатной плате, находящейся  внутри корпуса, поэтому выбираем тепловое моделирование и расчет теплового  режима конструкции РЭС с источником тепла, расположеннымв плоскости.

Размещение  тепловыделяющих элементов в  плоскости дает возможность при  оценке теплового режима ограничиться расчетом среднеповерхностной температуры нагретой зоны , которая с небольшой погрешностью может быть принята в качестве характеристики теплового режима элементов.

При построении тепловой модели принимаются следующие  допущения:

- нагретая зона является  однородным анизотропным телом; 

- источники тепла в  нагретой зоне распределены равномерно;

- поверхности нагретой  зоны и корпуса - изотермические  со среднеповерхностными температурами и соответственно.

Тепловая  схема для данной тепловой модели блокаприведена на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 – Тепловая схема

С поверхности  нагретой зоны посредством конвективной () и лучевой () теплопередачи через воздушные прослойки, теплопроводностью контакта «нагретая зона - установочные элементы» () и самих установочных элементов ()  тепло передается на внутреннюю поверхность корпуса. За счет теплопроводности стенок () тепло выводится на наружную поверхность корпуса, откуда конвекцией () и излучением () переносится в окружающее пространство.

Определим тепловые проводимости и .

- тепловая проводимость от наружной поверхности корпуса к среде для конвективной теплопередачи, - коэффициент конвективной теплопередачи, – площадь наружной поверхности корпуса;

- тепловая проводимость от наружной поверхности корпуса к среде для теплопередачи излучением, – коэффициент теплопередачи излучением, – площадь наружной поверхности корпуса.

Для определения  конвективного и лучевого коэффициентов теплопередач в условиях неограниченного пространства (теплообмен между наружной стенкой корпуса и окружающей средой)  воспользуемся номограммами.

Для определения необходимо задать перегрев теплообмена (см. п.Выбор системы охлаждения) . Температура корпуса определяется из соотношения:

 

Среднее значение температуры окружающей среды определяется как:

 

Площадь поверхности  корпуса(теплообмена):

 

 

 

Соответственно  характерный размер конструкции:

 

 

Конвективный  коэффициент теплопередачи определим  по номограмме приведенной на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Номограмма для определения конвективного коэффициента теплопередачи

Из номограммы видно, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения  необходимо задать степень черноты поверхности (для пластмасс), температуру на поверхности теплообмена и температуру окружающей среды . Найдем с использованием номограммы изображенной на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Номограмма для определения коэффициента теплопередачи излучением

 

Из номограммы видно, что коэффициент теплопередачи  определенный по номограмме , следовательно, реальный коэффициент теплопередачи излучением будет равен:

 

 

Определим тепловую проводимость стенок корпуса:

 

 

 

где - коэффициент теплопроводности материала корпуса; - толщина стенки; ; - площади внутренней и наружной поверхностей корпуса.

 

Зная  и ,  находим внутреннюю и наружную температуры корпуса:

 

 

 

 

где - тепловой поток, рассеиваемый конструкцией (см. п.Выбор системы охлаждения)

 

 

 

 

Чтобы рассчитать температуру нагретой зоны, необходимо найти , ,.

 

- конвективно-кондуктивная тепловая  проводимость между нагретой  зоной и внутренней стенкой  корпуса;  - поправочный коэффициент на конвективный теплообмен в условиях ограниченного пространства; - коэффициент теплопроводности воздуха для среднего значения температуры воздуха в прослойке; - среднее расстояние между нагретой зоной и корпусом; - площадь поверхности нагретой зоны; - площадь внутренней поверхности корпуса:

 

 

Тепловая  проводимость  теплопередачи от нагретой зоны к внутренней стенке  корпуса  излучением определяется как:

,

 где  - коэффициент теплопередачи излучением.

 

Тепловую  проводимость установочных элементов  можно найти следующим образом:

,

 

где - число элементов;  - коэффициент теплопроводности материала;

- длина установочных элементов  по направлению теплового потока;

- площадь средней изотермической  поверхности, перпендикулярной направлению  теплового потока.

 

 

Исходя из полученных данных, найдём температуру  поверхности нагретой зоны:

 

 

 

Данные температуры меньше допустимой температуры для элементов и меньше предположенной температура поверхности  , следовательно, мы сможем обеспечить охлаждение схемы естественным воздушным путём.

 

 

 

 

 

7. Расчёт вибропрочности.

 

 Конструкция считается вибропрочной, если в ней отсутствуют механические резонансы. Отсутствие в конструкциях механических резонансов характеризуется следующим соотношением частоты свободных колебаний f₀ любого элемента конструкции и верхней частоты диапазона внешних вибрационных воздействий:

                                                                       

                                                               (6.1)

В нашем случае = 30

Таким образом, оценка вибропрочности конструкции сводится к расчету частоты свободных колебаний f₀.

Основной расчетной моделью  планарных конструкций служит прямоугольная  пластина при определенных условиях на сторонах. Частота свободных колебаний  основного тона прямоугольной пластины определяется по формуле:

                                                         

= , Гц.                                                (6.2)

 

- поправочный коэффициент на  материал пластины,                                (6.3)

  где Е=30,2/10  Па - модуль упругости материала пластины;

 Е_с= 200/10  Па- модуль упругости стали;

 r=1,85 г/см  - плотность материала пластины;

 r_с=7,82 г/см - плотность стали;

                                                                                      (6.4)

- поправочный коэффициент на  нагружение пластины равномерно размещенными на ней элементами,                                                                                              (6.5)

где m_эл=146 г - масса элементов

  m_п=V_пл*r_пл - масса пластины,

  где V_пл =а*b*h=10,62см³ ;

  r_пл =1,85 г/см  - плотность пластины ;

  m_п=19г;

 

                                                                                                                         (6.6)

 Подставим известные значения  параметров в вышеуказанную формулу:

330 Гц  

полученное  значение f₀ удовлетворяет неравенству поставленному в начале этого пункта,

330≥60 (Гц)

 

Расчет  вибропрочности показал, что в устройстве отсутствуют механические резонансы, следовательно, оно считается вибропрочным. 

 

 

 

 

8. Способ крепления ПП к корпусу.

ПП крепится к корпусу в трех местах с помощью винта с цилиндрической головкой DIN 84, прямой шлиц, форма А, диаметр М3, длина 5 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В ходе выполнения курсовой работы была разработана конструкция  управления питанием компьютерной системы и соответственно конструкторская и техническая документация на него. На основании технического задания был выбран вариант исполнения устройства. В результате анализа принципиальной схемы была разработана печатная плата и выбран корпус. По результатам оценочного расчета теплового режима было выбрано естественное охлаждение устройства. Произведены оценочные расчеты функциональных параметров РЭС: тепловых режимов конструкции, вибропрочности. Также произведена оценка технологичности конструкции, которая показала, что устройство имеет низкий уровень технологичности и была дана рекомендация по повышению уровня технологичности.