Разработка технического задания
Министерство образования и науки РФ
Федеральное
государственное бюджетное
высшего профессионального образования
«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Кафедра электронных систем.
Курсовая работа
по дисциплине: Технология радиоэлектронных средств, часть I.
Выполнил: студент гр. ПЭСв-09 _____________ /Чернов А. В./
(подпись) (Ф.И.О.)
Специальность: 210201.65
Дата сдачи:
Шифр: 8503020006
ПРОВЕРИЛ:
Дата проверки:________________
Руководитель: преподаватель _____________ /Денисова О.В./
(должность) (подпись) (Ф.И.О)
Санкт-Петербург
2013 г.
Содержание
Введение _____________________
1. Исходные
данные _______________________
2. Технические требования к изделию _________4
3. Обоснование выбора элементной базы_______6
4. Пояснение к внутренней и внешней
компоновке
ФУ ___________________________
5. Обоснование выбора конструкции,
материалов и покрытий _____________________8
6. Обоснование необходимых мер по
защите от дестабилизирующих факторов_______8
7. Расчеты ______________________
Заключение
______________________________
Литература____________________
Приложения:
Набор конструкторской документации
Задачей курсового
В ходе курсового
Выполнение курсового проекта
призвано способствовать
Электронная аппаратура является одним
из основных средств, используемых для
удовлетворения научных, технических
и бытовых потребностей в обществе.
Поэтому необходимость в
Цель данного курсового проекта
- улучшение знаний в области расчета
надежности проектируемых изделий
и конструирования
Основная задача курсовой работы -
реализация комплексного подхода в
разработке конструкции звукового
включателя, для чего необходимо учитывать
требования по назначению, надежности
и условиям размещения и эксплуатации
изделия. При этом необходимо добиться
требуемых электрических и
1. Исходные данные
Основными
исходными данными для
Группа РЭС – Возимая (железнодорожная).
Тип конструкции - 1- разъемная.
Элементная база:
1. микросхема К140УД1 Б - 2 шт.
2. резистор постоянный - 6 шт.
3. конденсатор постоянной емкости - 4 шт.
схема электрическая принципиальная
Схема электрическая принципиальная (выполнена не по ЕСКД):
Техническое задание.
Технические требования.
- Состав продукции и требования к конструктивному устройству.
Функциональный узел на основе печатной платы, предназначен для работы в составе возимой РЭА, на базе комплекса УТК-І, с разъемным типом конструкции.
Для возимой РЭА характерна работа в условиях вибраций, ударов, абразивной пыли, избыточной влажности. Она должна иметь ограниченные габариты и массу, обеспечивать простоту и надёжность электрических соединений, устойчивость к ударам и вибрациям, к возникновению инея и росы, а так же ограниченную мощность рассеивания. В соответствии с ГОСТ 23752-79, ПП соответствует второй группе жесткости. Необходимо принимать следующие меры. Выбирать: нагревостойкие материалы, минимальные размеры ПП, материалы с низкими диэлектрическими потерями, гальваническое покрытие со стабильными переходными сопротивлениями при нагреве, покрытие устойчивое к высокой температуре. Необходим выбор влагостойких (характеризуются степенью гигроскопичности) и водостойких (характеризуется водопоглощаемостью) материалов ПП. Применение защитных лакокрасочных покрытий. Герметизация ячеек. Увеличение ширины и толщины проводников. Выбор материалов ПП, устойчивых к низким температурам. Выбор материала ПП с хорошими диэлектрическими свойствами, увеличение расстояния между проводниками. Для защиты от вибраций и ударов необходима отстройка ПП от резонанса для выхода низшего значения собственной частоты f0 из спектра частот внешних воздействий (изменение длины, ширины, толщины и суммарной массы установленных на ПП ЭРИ. Приклеивание ЭРИ к установочным поверхностям, покрытие лаком, увеличение площади опорных поверхностей, демпфирующие покрытия, рёбра жесткости, амортизация. Для защиты от влаги ПП с установленными на неё ЭРЭ, применяют органический лак УР-231 (ГОСТ 23832-79), обеспечивающий твёрдое, прочное покрытие, выдерживающее температуру от 213 до 393К.
Поставляется в собранном виде. Масса не более 0,3 кг. Электропитание осуществляется от сети (220 В).
Для защиты от электромагнитных помех и паразитных наводок ФУ защищается с двух сторон защитными экранами.
- Требования к надежности.
Аппаратура ремонтируемая(2222)
Интенсивность отказа ПП – 2,546*10-5 1/ч.
Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 1500 часов.
Ресурс 40000ч. Гарантийный срок службы 5 лет. Срок хранения не более 3 лет.
Комплексный показатель надежности - вероятность безотказной работы
(или ресурс и срок службы)
3. Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту.
Изделие относится к 5-ой группе РЭС (возимой на железнодорожном транспорте).
Условия эксплуатации:
Окружающая температура Т – 233…333 К
Относительная влажность при T до 298 К – не более 93%
Удары: Длительность - 3…10 мс.
Ускорение - 392м/с
Частота - 40... 80мин
Вибрации:
Диапазон частот
f …f - 2. ..100 Гц
Виброускорение а -19,6 м/с2
Линейные ускорения - 3,12 м/с2
Пониженное атмосферное давление Н – не ниже 61 кПа
Возникновение инея и росы, дождя, воздушного потока, ГОСТ 16019—78
Время подготовки
к использованию после
В процессе
эксплуатации предусматривается
Вывод: элементы совместимы, диапазоны внешних воздействий выбранных элементов шире требуемых на все изделие диапазонов, следовательно, элементная база полностью соответствует заданным условиям эксплуатации.
Выбор конструкции. Пояснение внутренней и внешней компоновки.
Для блоков разъёмной конструкции выбираем рамочное исполнение с двухсторонним расположением ЭРИ и/или ПМК
ПП разрабатывается для первого уровня модульности: ячейки. Конструкция ячейки унифицирована, размер ПП 140X150, предназначена для «кассетной» компоновки блоков, имеет стандартный выходной разъем типа ГРПМ-1 на 61контакт.
Способ закрепления ячейки в модулях более высокого конструктивного уровня представлен на рис. 1.
Рис. 1.
«----» - опертая сторона, «++++» - защемленная сторона(лицевая панель).
Поскольку элементная база традиционная, представлена корпусными ЭРЭ с выводами, устанавливаемыми в отверстия, то в качестве конструктивно-технологического направления выбираем монтаж корпусных ИМС и ЭРЭ на ПП. Тип сборки - 1А: односторонняя установка ЭРИ в отверстия. Установка корпусных ИС и ЭРЭ на ПП производится в соответствии с ОСТ 4.010.030-81: МС К176ЛЕ5 по варианту VIIIа, резисторы и конденсаторы по варианту IIа, конденсаторы КТ-1 по варианту IIв. Навесные элементы устанавливаются с зазором, для обеспечения возможности нанесения покрытий.
В соответствии с ГОСТ 23751-86 выбираем двухстороннюю ПП.
Шаги расположения выводов всех элементов кратны 0,25 мм, выбираем шаг координатной сетки 1,25 мм.
Форма контактных площадок и монтажных отверстий предпочтительная - круглая.
Ширина краевых полей – 5 мм.
Конструкторская сложность узла – малая.
Исходя из технологического оснащения производства выбираем, основной и наиболее распространенный при производстве ПП, класс точности – 3. Печатные платы 3-ro класса - наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой — для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное, оборудование.
Конструкция печатного проводника показана на рис. 2.
Рис.2
1 – медная фольга 35 мкм, 2 – гальваническая
медь 25 мкм, 3 – олово-свинец 15 мкм, 5
– химическая медь 5 мкм.
Выбор материалов, покрытий и метода изготовления.
Метод изготовления, соответствующий классу точности и сложности узла – комбинированный позитивный.
Материал основания – СФ2-35Г (ГОСТ 10316-78, толщина фольги 35мкм). Стеклотекстолит фольгированный представляет собой спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксифенольной или эпоксидной смолой, материал типа СФ обеспечивает механическую прочность и снижает отрицательное влияние гальванической обработки на клеевой слой, соединяющий фольгу с материалом основания, и на сам материал.
Для класса точности – 3, отношение диаметра минимального отверстия к толщине ПП: γ =d0 / H ≥ 0.33 мм. Исходя из стандартного ряда и учитывая вышеприведенное соотношение, выберем толщину платы равную 1,5 мм.
Стабильность электрических, механических и других параметров ПП может быть обеспечена применением металлических и неметаллических покрытий. В качестве покрытия проводящего рисунка для защиты от коррозии, улучшения способности к пайке использовать сплав "розе". Контактные площадки и металлизированные отверстия покрываются также металлом для улучшения смачиваемости припоем при пайке, и лаками для сохранения паяемости и защиты поверхности от коррозии и окисления. Проводники вместе с диэлектрическим основанием защищают эмалью, которая позволит уменьшить расход припоя при операции групповой пайки волной припоя или окунанием, защитить ПП от загрязнения.
Расчет площади
Sпп раб. = Sпп – Sзакр. – рабочая площадь ПП.
Sпп – общая площадь ПП.
Sзакр. – площадь технологических закраин.
Sпп = 140 мм ∙ 150 мм = 21000 мм2
Sзакр = Sкр. пол. + Sп.с. + Sл.п.
Sкр. пол. – площадь краевых полей.(ширина 5 мм)
Sп.с. – площадь поля для соединителя.(ширина 15 мм)
Sл.п.- площадь поля для крепления лицевой панели. (ширина 10 мм)
Sзакр = 2800 мм2 + 2250 мм2 + 1500 мм2 = 6550 мм2
Sпп раб. = 21000 мм2 – 6550 мм2 = 14450 мм2
Sпп раб. = n ∙ Sфр
n – кол-во фрагментов, целое четное число.
Sфр – площадь фрагмента.
Sэл.i – установочная площадь i-го элемента.
k – коэффициент зависящий от назначения и условий эксплуатации
аппаратуры (1…3).
r – кол-во элементов.
Sфр = k*∑Sэл
∑Sэл = 185,64+6*43,57+4*58,5=621,05
Sфр = 2*621,05 = 1362,12
Принимаем n = 10, окончательно площадь фрагмента:
Коэффициент заполнения по площади:
Sсоед – установочная площадь соединителя
Кол-во фрагментов – 10, размер фрагмента - 30 x 48 мм. Учитывая, что остальные фрагменты идентичны разрабатываемому, на каждый приходится по 5 контактов, плюс контакты питания и корпуса, а также условие, что не менее 10% контактов должны быть зарезервированы, выбираем соединитель на 61 контакт – ГРПМ1-61ШУ2, что соответствует требованию ГОСТ на УТК.
Расчет коэффициента объемного заполнения.
При расчете коэффициента объемного заполнения ПП Ко, будем считать, что остальные фрагменты по заполнению идентичны разрабатываемому.
n – кол-во фрагментов
Vсоед = 13674,375 мм3 – установочный объем соединителя
∑Vэл – сумма установочных объемов элементов
Vпп – общий объем ПП
Vпп = abh =140*150*11.5
a = 140 мм – длинна ПП
b = 150 мм – ширина ПП
h – высота ПП
h = H + hв.эл. + hвыв + 2с
H =1,5 мм – толщина ПП
hв.эл = 7 мм– высота самого высокого элемента (К140УД1 Б)
hвыв = 1 мм – выступ выводов
с = 1 мм – зазор между экраном и элементами
h = 1,5 + 7 + 1 + 2 ∙ 1 = 11,5 мм
Vпп = 160 ∙ 280 ∙ 15,3 = 241500 мм3
∑Vэл
=2*928.2+6*136.267+4*380.25+
K0=(10*4195+13674.375)/241500 = 0.23
Коэффициенты заполнения Кп , Ко говорят о средней насыщенности ПП элементами, что соответствует выбранному классу точности - 3.
Расчет печатного монтажа.
Расчет диаметра монтажных отверстий.
Минимальный диаметр монтажных отверстий:
d0 ≥ γ ∙ H
H =1,5 мм – толщина ПП
γ ≥ 0,33 - отношение диаметра минимального отверстия к толщине ПП
d0 ≥ 0,33 ∙ 1,5
d0 ≥ 0,5 мм
Номинальное значение монтажных отверстий:
d = dэ + |∆dно| + r
dэ – максимальный диаметр вывода элемента
∆dно – максимальное предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия
r = 0,2 мм – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода
К140УД1 Б
Вывод 0,5×0,34.
dэ= =0,37мм
d=0,37+0,1+0,2=0,67мм
d=0,7мм
Резистор МТ-0,125
Вывод dэ=0.7мм
d=0.7+0.15+0.2=1,05мм
d=1.1мм
Конденсаторы: КТ-1-М1500
Вывод dэ=0,6
d=0.6+0.1+0.2=0.9
ГРПМ1:
d = 1 мм (справочные данные)
Расчетные значение сведены к предпочтительному ряду отверстий, округлением в большую сторону.
Выбор расстояния Q1 от каря ПП до элементов печатного рисунка.
Расстояние Q1 должно быть не менее толщины ПП с учетом допусков на размеры сторон, кроме экранов, шин земли, концевых печатных контактов, знаков маркировки. Примем Q1 = 2 мм
Расчет расстояния Q2 от края паза, выреза, неметаллизированного
отверстия до элементов печатного рисунка.
Q2 = q + k + 0,5
q = 0,35 - ширина ореола , скола
k = 0,15 - наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка
TD = 0,2 мм – позиционный допуск расположения центров КП
Тd = 0,1 мм – позиционный допуск расположения осей отверстий
tво = 0,1 мм – верхнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника
Q2 = 0,6 мм
Расчет ширины печатных проводников.
Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t:
t = tminD + |∆tно|
tminD – минимально допустимая ширина проводника
∆tно = - 0,1 мм нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника
Минимально допустимая ширина проводника по постоянному току для цепи питания:
Imax = 0,1 А - максимальный постоянный ток протекающий в проводниках
h – толщина i-го слоя проводника
jдоп - допустимая плотность тока
медная фольга h = 35мкм, jдоп = 100 А/мм2
гальваническая медь h = 25мкм, jдоп = 60 А/мм2
t1 = 0,02 + 0,1 = 0,12 мм
Минимально допустимая ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения Uдоп на нем:
и hi - толщина и удельное сопротивление i-го слоя проводника
l = 30 мм – максимальная длина проводника
Uдоп = 0,3 В
Толщина и удельное электрическое сопротивление слоев:
медная фольга h = 35мкм, ρ = 1,72 ∙ 10-5 Ом ∙ мм
гальваническая медь h = 25мкм, ρ = 1,9 ∙ 10-5 Ом ∙ мм
олово-свинец h = 15 мкм, ρ = 12 ∙ 10-5 Ом ∙ мм
химическая медь h = 5 мкм, ρ = 2,8 ∙ 10-5 Ом ∙ мм
tminD = 0,15 мм
t = 0,15 + 0,1 = 0,25 мм
Расчет диаметра контактных площадок.
Наименьшее номинальное значение диаметра КП:
dво – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия
b = 0,1 мм – гарантийный поясок
∆tво = 0,1 мм – верхнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника
∆tно = - 0,1 мм – нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника
∆dТР = 0 – величина подтравливания диэлектрика в отверстии для ДПП
TD = 0,2 мм – позиционный допуск расположения центров КП
Тd = 0,1 мм – позиционный допуск расположения осей отверстий
Для отверстия d = 0,9 мм:
D = 0,9 + 0,2 + 0,1 + 0,24 = 1,44 мм
D = 1,5 мм
Для отверстия d = 1,1 мм:
D = 1,1 + 0,05 + 0,2 + 0,1 + 0,24 = 1,69 мм
D = 1,7 мм
для отверстия d = 0,7 мм:
D = 0,7 + 0,05 + 0,2 + 0,1 + 0,24 = 1,89 мм
D = 1,3 мм
для отверстия d = 1 мм:
D = 1 + 0,2 + 0,1 + 0,24 = 1,54 мм
D = 1,6 мм
Расчетные значения КП округлены в большую сторону до десятых долей миллиметра.
Все рассчитанные значения равны наименьшим номинальным диаметрам КП узкого места, для класса точности - 3.
Расчет расстояния между элементами проводящего рисунка.
Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка (между двумя проводниками):
Tl = 0,05 мм - позиционный допуск расположения печатных проводников
∆tво = 0,1 мм – верхнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника
SminD = 0,25 мм – минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка
S=.0375мм
Наименьшее номинальное расстояние для размещения двух КП номинального диаметра в узком месте:
Для отверстий 0,9…0,9 мм – 1,75 мм
Для отверстий 1…1 мм – 1,85 мм
Для отверстий 1,1…1,1 мм – 1,95 мм
Для отверстий 1,1…1,3 мм – 2,05 мм
Для отверстий 0,7…0,7 мм – 1,55 мм
Наименьшее номинальное расстояние для размещения печатного проводника номинальной ширины между двумя контактными площадками в узком месте:
Для отверстий 0,9…0,9 мм – 2,3 мм
Для отверстий 1…1 мм – 2,4 мм
Для отверстий 1,1…1,1 мм – 2,5 мм
Для отверстий 1,1…1,3 мм – 2,6 мм
Для отверстий 0,7…0,7 мм – 2,1 мм
Наименьшее номинальное расстояние для прокладки n печатных проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметров D1 и D2:
t = 0.25 мм – наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника
n = 2 – число проводников
S = 0,38 мм - наименьшее номинальное расстояние между двумя проводниками
Tl = 0,05 мм - позиционный допуск расположения печатных проводников
Для площадки 1,5…1,5 – lном = 3,19 мм
Для площадки 1,5…1,6 – lном = 3,24 мм
Для площадки 1,5…1,7 – lном = 3,29 мм
Для площадки 1,5…1,9 – lном = 3,39 мм
Для площадки 1,6…1,6 – lном = 3,29 мм
Для площадки 1,6…1,7 – lном = 3,34 мм
Для площадки 1,6…1,9 – lном = 3,44 мм
Для площадки 1,7…1,7 – lном = 3,39 мм
Для площадки 1,7…1,9 – lном = 3,49 мм
Для площадки 1,9…1,9 – lном = 3,59 мм
Экранирование.
Форма защитного электромагнитного экрана – прямоугольная. Для надежного контактного соединения в конструкции экрана используются винты. Материал экрана – алюминий.
Будем рассматривать дальнюю зону вокруг условного излучателя электромагнитной помехи. В этом случае мощности электрического и магнитных полей равны. Форма экрана влияет на резонансные свойства изделия, а именно, на значение частоты, на которой происходит резкое увеличение магнитного или электрического поля экрана. В электромагнитном поле дальней зоны немагнитные материалы, обладающие большей проводимостью по сравнению с магнитными, обеспечивают более высокую эффективность.
Электромагнитный режим экранирования охватывает частотный диапазон 103…109 Гц при условии, что расстояние экрана от источника помех больше 5…6l, а поперечные размеры экрана меньше длины волны помехи.
Эффективность экранирования, Ээ, сплошного электромагнитного экрана в дальней зоне излучения определяется формулой:
d — толщина стенки экрана.
Э ≥ 60 дБ
– требуемая эффективность
ρ = 2,8 ∙ 10-8 Ом∙м – удельное сопротивление материала экрана
m = 1 мм – наибольший размер щели в экране
λ – длина волны
Rэ – эквивалентный радиус экрана
ZH – волновое сопротивление магнитного поля
δ – глубина проникновении
с = 3 ∙ 108 м/с – скорость света в вакууме
f = 1 МГц - частота
λ = 300 м
b = 130 мм - ширина
l = 140 мм - длинна
h =8 мм – высота
μr = 1 – относительная магнитная проницаемость для алюминия
Z0 = 377 Ом – сопротивление
Значения множителей:
20 log Э = 60 Дб
Э = 942,5
Подставляем множители в исходную формулу:
d = 0,083 мм – минимальная толщина экрана
Определим резонансную частоту экрана.
Как правило, в первую очередь следует определить наинизшую резонансную частоту для данных размеров экрана, так как возникновение резонанса в экране сопровождается резким возрастанием амплитуды поля и при использовании электрически тонкого материала для экрана наблюдается интенсивный спад его эффективности.
Наинизшую резонансную частоту экрана (в МГц) удобно вычислять не в зависимости от размеров сторон экрана, а в функции наиболее общего его параметра Rэ по приближенной формуле:
Рассчитанная минимальная толщина экрана 0,083 мм обеспечивает необходимую эффективность экранирования 60Дб на частоте 1 Мгц.
Выберем толщину экрана с запасом 0,5мм.
Заключение.
В результате конструирования и расчетов удается создать функциональный узел по заданной принципиальной электрической схеме. Расчеты показывают, что спроектированный функциональный узел удовлетворяет заданным эксплуатационным характеристикам и экран обеспечивает необходимую эффективность экранирования.