Аннотация Целью данного дипломного проекта является ... эхолота, который не требует больших ...

Реклама
Аннотация
Целью данного дипломного проекта является разработка цифрового
эхолота, который не требует больших денежных затрат и является
относительно простым с исполнении и использовании. В проделанной работе
освещены принципы работы эхолотов, разобрана принципиальная схема
устройства,
а
также
разработаны
конструкторско-технологические
требования, которым должен удовлетворять прибор. Проведено тепловое
моделирование
себестоимости
в
подсистеме
АСОНИКА-Т.
Произведен
подсчет
проектируемого устройства. В итогу проделанной работы
получаем относительно недорогое готовое устройство, которое подойдет
рыболовам-любителям.
2
Оглавление
Перечень сокращений ...................................................................................................................5
1. Введение .....................................................................................................................................6
1.1. Принцип действия эхолота ................................................................................................8
1.2. Виды эхолотов ....................................................................................................................9
1.2.1. Однолучевые эхолоты .................................................................................................9
1.2.2. Многолучевые эхолоты ............................................................................................10
1.3. Цель работы ......................................................................................................................12
2. Специальная часть ...................................................................................................................13
2.1. Принцип работы устройства............................................................................................13
2.2. Анализ схемы электрической принципиальной ............................................................15
2.3. Выбор элементной базы ...................................................................................................20
2.4. Обоснование выбора элементной базы ..........................................................................24
3. Конструкторско-технологическая часть ...............................................................................27
3.1. Конструкторско-технологические требования ..............................................................27
3.2.Обоснование конструкции устройства ............................................................................27
3.2.1. Обоснование исполнения печатного узла ...............................................................27
3.2.2. Обоснование выбора корпуса...................................................................................28
3.3. Выбор и обоснование материалов для изготовления печатного узла .........................29
3.3.1. Выбор класса точности .............................................................................................29
3.3.2. Метод изготовления печатных плат и нанесения рисунка ....................................30
3.3.3. Материал основания..................................................................................................32
3.4. Межсоединения ................................................................................................................32
3.4.1. Припой ........................................................................................................................32
3.4.2. Флюс ...........................................................................................................................33
3.4.3. Защитное покрытие ...................................................................................................33
3.5. Установка элементов на плату ........................................................................................33
3.5.1. Размеры компонентов ...................................................................................................34
3.6. Расчет параметров печатных проводников ....................................................................35
3.6.1. Расчет диаметра крепежных отверстий и контактных площадок ........................35
3.6.2. Расчет ширины проводников ...................................................................................38
3.6.3. Расчет расстояния между двумя проводниками .....................................................38
3.7. Расчет электрических параметров ..................................................................................39
3.7.1. Емкость в печатном монтаже ...................................................................................39
3.7.2. Расчет индуктивности печатных проводников.......................................................40
3
3.7.3. Взаимная индуктивность печатных проводников ..................................................41
3.8. Моделирование .................................................................................................................42
3.8.1. Тепловое моделирование блока ...............................................................................42
3.9. Электромагнитная совместимость ..................................................................................48
4. Охрана труда ............................................................................................................................58
4.1. Защита человека от электромагнитных воздействий ....................................................58
5. Экологическая часть................................................................................................................61
5.1. Бессвинцовая пайка ..........................................................................................................61
6. Экономическая часть...............................................................................................................64
6.1. Расчет себестоимости устройства ..................................................................................64
Заключение...................................................................................................................................67
Список литературы:.....................................................................................................................68
4
Перечень сокращений
АСУ - автоматизированная система управления
ВАРУ - временная автоматическая регулировка усиления
ПК - персональный компьютер
РЭС - радиоэлектронные средства
СФ - стеклотекстолит фольгированный
ЭМП - электромагнитное поле
ЭМС - электромагнитная совместимость
ЭРИ - электрорадиоизделие
ЭС - электронное средство
5
1. Введение
С необходимостью измерения глубины под килем человек начал
сталкиваться сразу же, как вышел в первое плавание. Невидимые огромные
подводные камни, кораллы, мели и рифы всегда доставляли много
неприятностей, особенно когда корабль подходил к берегу и при плавании в
узких местах между скалами. И в то же время, не зная глубины, очень
трудно удачно выбрать место постановки судна на якорь и необходимую
длину вытравливаемой якорь-цепи. Именно для этого и нужны эхолоты.
Первым “инструментом” для измерения глубины служил обычный
шест из дерева или бамбука длиной около пяти метров. Если при
вертикальном опускании в воду он не доставал дна, значит проход безопасен.
если же глубина была меньше, то надо было проявлять большую
осторожность. Для небольших судов далекого прошлого такой оценки
глубины
было
достаточно.
Со
времени,
когда
стали
пользоваться
различными планами входа в бухту или гавань и появилась возможность
отмечать на них глубины и выделять безопасные проходы и удобные места
стоянок, на шестах стали наносить отметки в единицах длины — в локтях (1
локоть — около 0,4 метра), саженях (1 сажень — около 1,8 метра) или в
футах (1 фут — около 0,3 метра).
С появлением более крупных судов стали использовать ручной лот. Он
обычно состоял из непосредственно лота (груза) и лотлиня — тонкого троса,
к которому он крепился. Чаще всего в качестве груза использовали
чугунную,
свинцовую
гирю
продолговатой,
пирамидальной
или
конусообразной формы, для того чтобы лот быстро погружался в воду.
Лотлинь делился на отрезки определенной длины, которые были отделены
друг от друга кожаными или парусиновыми отметками-марками.
Наблюдатель, или лотовый, так его называли, стоял на носу корабля
или на специально отведенной площадке, которая предусматривалась на
судне для этих целей, и забрасывал груз вперед по ходу корабля. Когда
6
лотлинь принимал вертикальное положение, по отметке определяли глубину
под килем.
В начале XIX в. интерес к промерным работам, а следовательно, и к
средствам измерения глубин резко возрос. Ученые и мореплаватели поняли,
что невозможно без изучения рельефа дна и его особенностей изучать моря и
океаны. Для того, чтобы получит систематические специальные промеры в
морях и океанах, а для этого нужны были соответствующие инструменты для
измерения больших глубин.
В наши дни эхолотостроение достигло очень высокого уровня.
Широкое применение микропроцессорной техники в схемах позволяет
успешно
уменьшать
габариты
приборов
и
увеличивать
уровень
автоматизации процессов измерений. Например, в некоторых схемах
предусматрено автоматическое переключение диапазонов и ввод различных
поправок (на изменение скорости распространения акустических колебаний в
воде, осадку судна, вертикальное перемещение его на волнении и т. nv). В
некоторых конструкциях эхолотов применяют специальные схемы, которые
позволяют, отсеивать всевозможные помехи от полезных сигналов. Наиболее
продвинутые и сложные системы способны передавать информацию о
глубине в электронные вычислительные машины автоматизированного
управления судном и в батиметрические системы, обеспечивающие
определение места судна по рельефу дна.
Наряду с навигационными эхолотами, которые предназначены для
обеспечения безопасности плавания, выпускаются специальные приборы для
поиска рыбы, промерных, геологоразведочных работ и др. Такие эхолоты
имеют многоцветные телевизионные экраны, которые позволяют получить
информацию не только о профиле дна, но и о качестве грунта, глубине ила,
его плотности и т. п. (по цветности изображения). В исследовательских
эхолотах предусмотрена возможность менять масштаб изображения и
выделять на экране наиболее интересующие исследователей зондируемые
участки дна. Такие эхолоты рассчитаны, как правило, на несколько рабочих
7
частот, что позволяет измерять глубины в самых разных диапазонах.
Создаются и многолучевые эхолоты, которые одновременно записывают
рельеф морского дна в различных направлениях. В некоторых эхолотах
предусмотрены устройства для непосредственного нанесения измеренных
глубин на морские карты.
1.1. Принцип действия эхолота
Эхолот - это прибор, определяющий направление, откуда к нему
приходят звуковые импульсы. В пресной воде звук распространяется со
скоростью около 1500 м/с. Главная задача электроники, которая находится в
эхолоте - измерить время, которое проходит от момента испускания
зондирующего звукового импульса до момента его возвращения к приемнику
эхолота после того, как он отразится от подводного объекта. Сигналы,
которые приходят в разное время от различных объектов, отображаются на
цветном жидкокристаллическом (или любом другом) экране эхолота. Время
возвращения эхосигнала будет больше, если объект под водой находится на
большей глубине. Электронный блок, который работает внутри эхолота,
создает короткие электрические импульсы, поступающие
подобно музыкальному громкоговорителю,
на излучатель,
который, в свою очередь,
превращает электрические импульсы в звуковые сигналы высокой частоты
"Отправив" пучок ультразвуковых волн в воду, эхолот переключается в
режим приема сигнала и использует излучатель как микрофон для приема
ультразвуковых волн, которые, в свою очередь, отражаются от дна и от
других объектов, находящихся между дном и излучателем. Излучатель
принимает ультразвуковые колебания и
преобразует их обратно в
электрические сигналы. Полученные таким образом электронные импульсы
намного слабее чем те, что излучались изначально, поэтому они поступают
на усилитель, который увеличивает сил импульсов до такой величины,
которая необходима для срабатывания светодиода, неоновой лампочки или
для включения ячейки жидкокристаллического дисплея. Светящиеся точки
8
на экране сливаются в изображения, соответствующие положению объектов
под водой и расстоянию до них.
Излучатель
переключается
в
режим
посылки
следующего
зондирующего ультразвукового импульса после завершения приема и
обработки эхо-сигнала. У разных эхолотов длительность промежутка
времени между повторными излучениями импульса, однако у большинства
приборов этого времени достаточно для того, чтобы принять эхо-сигналов с
достаточно больших расстояний или, что то же самое, с больших глубин.
Некоторые эхолоты могут работать с различными диапазонами глубин,
автоматически
изменяя
промежутки
времени
между
повторными
излучениями и, тем самым, давая излученному импульсу вернуться, если
глубина большая.
Так как в воде звук распространяется с большой скоростью, поэтому
не нужно много времени для того чтобы отправить и затем принять
зондирующий импульс и сразу же после этого можно излучать новые
импульсы. У коротких импульсов очень небольшая длительность - всего
лишь несколько миллисекунд.
Интервал времени между излучением
импульсов должен быть таким, чтобы за это время не просто отправить и
принять звуковой импульс, но еще должен успеть сработать экран эхолота,
отобразив информацию. 24 импульса в секунду - это нормальная частота
посылки импульсов, но из-за того, что жидкокристаллические экраны
инерционны, эхолоты, оборудованные ими, излучают лишь два импульса в
секунду.
1.2. Виды эхолотов
1.2.1. Однолучевые эхолоты
Самыми
распространенными
являются
рыбопоисковые
эхолоты,
которые ориентированы на рыболовов-любителей. В России доступны
любительские эхолоты целого ряда зарубежных фирм: Lowrance, Garmin,
Furuno, Eagle, Humminbird, Raymarine, Interphase, Seiwa, Bottom Line, JJ9
connect. Близких к
ним по
техническим характеристикам, уровню
исполнения, надежности серийных моделей отечественного производства
пока нет.
Принцип работы однолучевых эхолотов заключается в том, что одна и
та же антенна испускает ультразвуковые импульсы в конусном луче, а затем
принимает сигналы, которые отражаются ото дна или объектов на дне и
возвращаются обратно на антенну. Измеряется время между излучением
импульса и возвращение отраженных сигналов на антенну, по которому
затем определяется расстояние до обнаруженных объектов и глубина, как
расстояние до поверхности дна. Эхолот определяет только расстояния до
обнаруженных
объектов.
Каждому
излучаемому
антенной
импульсу
соответствует один вертикальный столбец экрана. Обнаруженные при
очередном импульсе объекты изображаются в виде штрихов в правом
масштабированном столбце экрана, затем изображение на экране сдвигается
на один столбец влево, а на освободившееся место в крайнем правом столбце
поступают результаты следующего измерения. Таким образом формируется
гидроакустическое изображение на экране. При перемещении плавсредства с
установленным эхолотом картина дна на мониторе соответствует рельефу
дна под антенной эхолота.
Современные
рыбопоисковые
эхолоты
имеют
функцию
идентификации рыбы и при ее включении вместо штрихов на экране
изображаются символы рыбы.
1.2.2. Многолучевые эхолоты
Многолучевые
эхолоты
чаще
используются
для
выполнения
промерных работ на больших площадях, с высокой производительностью, с
большой детальностью и с гарантированным сплошным покрытием дна.
Принцип работы многолучевых эхолотов основан на формировании с
использованием антенной решетки и/или электронным способом пучка узких
10
лучей, расходящихся веером в плоскости, перпендикулярной направлению
движения судна.
С учетом параметров движения корабля (курс, крен, дифферент,
вертикальные перемещения) и распределения скорости звука по глубине
обследуемой акватории в результате каждого сканирования получается набор
данных по глубинам акватории по линии, перпендикулярной траектории
движения судна. Ширина области зондирования, чаще всего, кратна глубине
(обычно составляет от 3 до 7 глубин). Сильно отличаются в разных
многолучевых эхолотах число лучей, так же как и методы их формирования
и
обработки
многолучевому
информации.
эхолоту
Обязательным
являются:
дополнением
навигационное
к
самому
оборудование
для
определения точных координат судна-носителя, система определения
параметров
вертикальных
движения
судна
перемещений),
(гирокомпас,
датчик
крен-дифферент,
определения
датчик
вертикального
распределения скорости звука в воде (STD-зонд). Как правило, стоимость
дополнительного оборудования составляет значительную часть стоимости
самого многолучевого эхолота.
Многолучевые эхолоты применяются в океанографических и нефтегазопоисковых исследованиях на больших и средних глубинах достаточно
давно (с середины 80-х годов). Применение таких технологий на
мелководных водоемах стало возможным только после существенного
увеличения производительности вычислительных комплексов. Связано это с
тем, что при работах на малых глубинах для того чтобы обеспечить полное
покрытие дна акватории необходимо существенное увеличение числа
посылок импульсов в единицу времени, что, в свою очередь, вызывает
значительное увеличение объема обрабатываемой информации.
В России используются различными организациями для выполнения
промерных работ, в основном, многолучевые эхолоты известных зарубежных
фирм, имеющих большой опыт в разработке и производстве данного
оборудования и имеющих сертификаты, подтверждающие технические
11
характеристики приборов. Количество используемых приборов достаточно
невелико, в основном это эхолоты производства компании Reson и
Kongsberg.
1.3. Цель работы
Целью данного дипломного проектирования является разработка
цифрового эхолота. Цифровой эхолот измеряет глубину водоёма и выводит
результаты на цифровые индикаторы. Данное устройство просто в
исполнении и не требует больших денежных вложений. Также он
неприхотлив в использовании и поможет определить хорошее глубокое
место для ловли рыбы.
12
2. Специальная часть
2.1. Принцип работы устройства
Технические характеристики:
Напряжение источника питания, В..............6
Потребляемый ток, А.............................~0.32
Импульсная мощность излучения, Вт......~15
Мертвая зона, м........................................<0.3
Предел измеряемой глубины, м................59.9
Инструментальная погрешность, м....±0.094
Габариты корпуса прибора, м.....200х150х75
Масса прибора, кг........................................0.6
Цифровой эхолот может быть использован для измерения глубины
водоемов и определения рельефа дна, поиска затонувших предметов, а также
нахождения наиболее перспективных мест для рыбной ловли. Структурная
схема, поясняющая устройство и принцип действия эхолота, показана на
рис.1.
Рис.1 Структурная схема
"Задающий генератор G1 управляет взаимодействием узлов прибора и
обеспечивает его работу в автоматическом режиме. Он генерирует тактовые
импульсы и импульсы образцовой частоты. Тактовые импульсы своим
13
фронтом устанавливают цифровой счетчик РС1 в нулевое состояние,
закрывают электронный ключ S1 на время прямого приема сигнала
приемником Р2 от передатчика Р1 и включают временную автоматическую
регулировку усиления (ВАРУ) на период процесса реверберации. Спадом
тактовый импульс через модулятор М1 запускает передатчик Р1, и пьезоэлектрический
датчик
BQ1
излучает
в
направлении
дна
короткий
ультразвуковой зондирующий импульс. Одновременно импульс начала
отсчета измерения глубины через модулятор М1 открывает электронный
ключ S2, и колебания образцовой частоты Fo6p поступают на цифровой
счетчик РС1. По окончании работы передатчика электронный ключ S1
открывается, а приемник Р2 после исчезновения реверберационных помех
приобретает номинальную чувствительность. Эхосигнал, отраженный от дна,
принимается датчиком BQ1 и после усиления в приемнике Р2 через ключ S1
закрывает ключ S2. Поступление импульсов образцовой частоты в счетчик
РС1 прекращается. Измерение закончено, и цифровые индикаторы HG1
показывают измеренную глубину в десятках, единицах и десятых долях
метра. Таким образом, за время от излучения зондирующего импульса до
приема эхосигнала счетчик РС1 подсчитывает количество импульсов
образцовой частоты.
Очередной тактовый импульс вновь переводит счетчик РС1 в нулевое
состояние, и процесс повторяется." [1]
14
2.2. Анализ схемы электрической принципиальной
Принципиальная схема цифрового эхолота представлена на рис. 2.
Рис.2 Схема принципиальная электрическая
15
"Прибор состоит из пяти функционально законченных блоков:
задающего генератора и передатчика (А1), приемника (А2), цифрового блока
(A3), цифровых индикаторов (А4) и питания (А5).
Задающий генератор с кварцевым резонатором частоты ZQ1 выполнен
на счетчике-генераторе DD1. Тактовые импульсы с вывода 1 DD1 поступают
на вывод 6 D-триггера DD2.1, который преобразовывает их в импульсы
разной полярности. Сигнал кварцевой стабилизированной частоты 256 кГц с
вывода 11 DD1 поступает на вывод 3 двоично-десятичного счетчикаделителя DD4, на выводе 10 которого с коэффициентом деления 32
формируется образцовая частота 8 кГц для счетчика цифрового блока.
Тактовая частота выбрана 7,8 Гц. В связи с острой диаграммой
направленности излучателей, особенно с повышенной резонансной частотой,
и волнением водоема, проблематично при такой низкой тактовой частоте
принять отраженный сигнал. Применение повышенной тактовой частоты
несколько
увеличивает
энергопотребление
прибора,
но,
главное,
гарантированно обеспечивает уверенный прием эхосигналов, а также
отслеживание рельефа дна при движении плавательного средства.
Для получения точности отсчета, равной 0,1 м, образцовая частота
генератора выбрана из условия:
Fo6p = V / 2d = 1500 / 0,2 = 7500 Гц,
где V - скорость звука в воде, равная 1500 м/с; d - требуемая точность
измерения в метрах. В данном приборе по техническим причинам Fo6p = 8
16
кГц,
что
не
отражается
на
точности
измерений
(d
=
0,094
м)
Применение кварцевой стабилизации частоты задающего генератора
существенно повысило стабильность работы и точность измерений эхолота.
17
Передатчик
состоит
из
генератора
и
усилителя
мощности
зондирующих импульсов. Генератор зондирующих импульсов собран на
элементах DD5.1-DD5.3. Он генерирует импульсы частотой 1200 кГц,
которая затем делится на 2 D-триггером DD2.2. На микросхеме DD3 собран
буферный
каскад,
согласующий
триггер
с
усилителем
мощности,
выполненным по двухтактной схеме на составных транзисторах VT3, VT4 и
трансформаторе Т1. С вторичной обмотки Т1 электрические колебания
частотой 570 кГц поступают на датчик- излучатель BQ1. Работа генератора
разрешена при наличии уровня логического «0» на выводах 1,2 DD5.1 и 8, 10
DD2.2. Разрешающий импульс в начале каждого цикла измерения поступает
с обратного вывода 2 микросхемы DD2.1 и формируется модулятором,
работающим в ждущем режиме, выполненным на транзисторах VT1, VT2. До
прихода разрешающего импульса работа генератора заблокирована наличием
положительного напряжения на выводах 1, 2 DD5.1 и 8, 10 DD2.2.
Приемник
(усилитель
эхосигналов)
эхолота
состоит
из
предварительного резонансного усилительного каскада, выполненного по
каскадной схеме на транзисторах VT7, VT8, и оконечного каскада на
микросхеме К174ХА2. На вход приемника сигнал поступает через защитную
цепочку R43-VD4-VD5, ограничивающую входной сигнал на время работы
передатчика.
Выбор
микросхемы
К174ХА2
обоснован
высоким
коэффициентом усиления, хорошей линейностью и стабильностью ее
параметров, обусловленных действием отрицательных обратных связей во
всех ее каскадах. В результате действия системы АРУ изменение напряжения
сигнала на выходе не превышает 10 дБ при изменении сигнала на входе на 80
дБ. Усилительный тракт также устойчив к изменению напряжения питания.
Так, при изменении напряжения питания от 15 до 4,5 В коэффициент
усиления снижается не более чем на 6 дБ. С применением данной схемы и в
сочетании с другими мерами при значительном усилении и чувствительности
(около 10 мкВ) удалось избежать самовозбуждения приемника.
18
Детектор приемника выполнен по однополупериодной схеме на диоде
VD7 и конденсаторе С28. С выхода детектора через фильтр R59-C30-R60C31 сигнал поступает на триггер Шмитта на транзисторах VT10, VT11,
который формирует стандартные логические уровни.
В
состав
предварительного
каскада
введена
схема
ВАРУ,
предназначенная для подавления реверберационных помех, возникающих изза
многократного
отражения
зондирующего
импульса
от
дна
или
поверхности воды, а также от близких акустических неоднородностей:
пузырьков воздуха, живых организмов, тепловых неоднородностей среды и
т.п. Система выполнена на транзисторе VT9, управляющем элементе ВАРУ,
изменяющем коэффициент усиления каскада в широких пределах, и
элементах VD6, С20, R50-R53. Длительность заряда конденсатора С20
определяется постоянной времени цепи R53-C20, а нижний уровень
напряжения - номиналом резистора R50 и длительностью разрядного
импульса.
Цифровой
блок
и
блок
цифровых
индикаторов
собраны
на
микросхемах DD6-DD13. В их состав входят электронные ключи на
элементах
DD6.1,
DD6.2,
RS-триггер
на
элементах
DD6.3,
DD6.4,
трехразрядный счетчик DD7-DD9, буферные усилители DD10-DD13 и
индикаторы HG1-HG3.
С выхода приемника через инвертор DD5.4 сигнал поступает на
электронный ключ DD6.1. Ключ DD6.1 в начале каждого цикла измерения
открывается с задержкой времени. Схема задержки прохождения сигнала на
время работы передатчика выполнена на элементах DD6.1, R5, R16, R17,
C10. На вывод 2 DD6.1 подаются отрицательные импульсы с прямого выхода
1 D-триггера DD2.1, а на вывод 1 DD6.1 - импульсы эхосигналов с выхода
приемника.
Принцип работы схемы основан на периодическом заряде-разряде
конденсатора С10, наличие напряжения на котором определяет состояние элемента DD6.1. Время разряда конденсатора С10 зависит от величины
19
сопротивления резисторов R16, R17. Ключ S2 выполнен на элементе DD6.2.
Импульс начала отсчета измерения глубины поступает от модулятора
передатчика через транзистор VT5 на RS-триггер и вывод 6 DD6.2, а импульс
окончания отсчета - с выхода 3 ключа DD6.1 через транзистор VT6 на вывод
6 DD6.2. Сигнал образцовой частоты поступает на вход 5 ключа DD6.2 и с
его выхода 4 - на трехразрядный счетчик DD7-DD9. В нулевое состояние
счетчик устанавливает фронт тактового импульса, поступающий на входы R
микросхем DD7-DD9.
Для питания эхолота использована аккумуляторная батарея GB1
напряжением 6 В и емкостью 6 Ач. Аккумуляторная батарея GB1 питает
преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах VT12, VT13. С
преобразователя повышенное напряжение 20...30 В поступает на три
независимые стабилизатора напряжения СН1-СН3, питающие: усилитель
мощности передатчика, усилитель эхосигналов, блок задающего генератора
частоты и передатчика вместе с цифровым блоком и блоком цифровых
индикаторов.
Стабилизаторы
напряжения
собраны
на
микросхемах
КР142ЕН2Б и КР142ЕН8А." [2]
2.3. Выбор элементной базы
В таблице 2 представлен список всех компонентов системы.
Таблица 2
Позиция
Характеристика
Наименование
Количество
R1
43 КОм
С2-23
1
R2, R45
8,2 КОм
С2-23
2
R3, R48
82 КОм
С2-23
2
R4
30 КОм
С2-23
1
R5, R6, R8
3,6 КОм
С2-23
3
R7, R10, R19, R20
6,8 КОм
С2-23
4
R9, R18
15 КОм
С2-23
2
R11
100 Ом
С2-23
1
20
R12, R13, R17
1 КОм
С1-4
3
R14
340 Ом
С2-23
1
R15
200 КОм
С2-23
1
R16
4 КОм
C2-23
1
R21-R42
1 КОм
С2-23
22
R43
1,2 КОм
С1-4
1
R44
330 Ом
С1-4
1
R46
7,5 КОм
С1-4
1
R47
1 МОм
С2-23
1
R49
160 Ом
С2-23
1
R50, R56, R68,
560 Ом
С2-23
4
R51
68 КОм
С2-23
1
R52
27 КОм
С2-23
1
R53, R63
10 КОм
С2-23
2
R54
1,5 КОм
C2-23
1
R55
750 Ом
С2-23
1
R57, R73, R75
47 КОм
С2-23
3
R58
12 КОм
С2-23
1
R59, R60
3,3 КОм
С2-23
2
R61
56 КОм
C2-23
1
R62
110 КОм
С2-23
1
R64
22 КОм
С2-23
1
R65
3,9 КОм
С2-23
1
R66
56 Ом
С1-4
1
R67, R69
5,6 КОм
С2-23
2
R71
3,8 Ом
С1-4
1
R72
2 КОм
С2-23
1
R74
4,7 КОм
С2-23
1
R70
21
С1
20 мкФ
К50-29
1
С2, С3
15 нФ
К10-17Б
2
С4, С5, С7, С8,
0,1 мкФ
К10-17А
11
С6, С23,
68 нФ
К10-17Б
2
С9
470 мкФ
К50-29
1
С10, С21, С22
47 нФ
К10-17Б
3
С11, С12
30 нФ
К10-17Б
2
С14, С20
1 мкФ
К50-29
2
С15, С19
0,15 мкФ
К10-17Б
2
С18, С26, С27
75 нФ
К10-17Б
3
С24
10 нФ
К10-17Б
1
С28, С30, С31
6,8нФ
КД-2
3
С29
4,7 мкФ
К50-29
1
С32, С35
0,33 мкФ
К10-17Б
2
С33
10 мкФ
К50-29
1
С34
1000 мкФ
К50-29
1
С36
33 нФ
К10-17Б
1
С37, С38, С39
220 мкФ
К50-29
3
VT1, VT2, VT5,
КТ315Б
Транзистор
7
С13, С16, С17,
С25, С40, С41,
С42
VT6, VT7, VT10,
Заменим на
VT11
КТ3102
VT3, VТ4
КТ972Б
Транзистор
2
VT8
КП302А
Транзистор
1
VT9
КТ3102А
Транзистор
1
VT12, VT13
КТ817Б
Транзистор
2
VD1-VD6
КД522А
Импульсный
6
22
диод
VD7
КД409А
Импульсный
1
диод
DD1
К176ИЕ5
Микросхема
1
DD2
К561ТМ2
Микросхема
1
DD3
К561ЛН2
Микросхема
1
DD4
К176ИЕ2
Микросхема
1
DD5, DD6
К561ЛА7
Микросхема
2
DD7, DD8
К176ИЕ4
Микросхема
2
DD9
К176ИЕ3
Микросхема
1
DD10-DD13
К561ПУ4
Микросхема
4
DA1
К174ХА2
Микросхема
1
DA2, DA3
КР142ЕН2Б
Микросхема
2
DA4
КР142ЕН8А
Микросхема
1
T1
М1000НМ,
Ферритовый
1
16х8х6
сердечник
2000HH,
Ферритовый
К20х12х6,0
сердечник
L1
1000НН
Катушка
1
L2
1000НН
Катушка
1
L3
1000НН
Катушка
1
L4
1000НН
Катушка
1
HG1-HG3
SA03-11SRWA
LED дисплей
3
ZQ1
РК46
Кварцевый
1
Т2
1
резонатор
23
2.4. Обоснование выбора элементной базы
Резисторы
серии
С2-23
это
постоянные
непроволочные
неизолированные резисторы общего применения предназначены для работы
в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Номинальная
мощность до 2 Вт. Диапазон рабочих температур от -55ºС до +125ºС.
Резисторы
С1-4
это
резисторы
с
углеродным
проводящим
слоем
предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного
тока. Номинальная мощность до 2 Вт. Диапазон рабочих температур от -55ºС
до +125ºС.
Конденсаторы К50-29 предназначены для работы в цепях постоянного
и пульсирующего токов и в импульсном режиме. Диапазон рабочих
температур от -60 ºС до +85ºС. Пленочные металлизированные конденсаторы
К73-17 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного,
пульсирующего токов и в импульсных режимах. Конденсаторы К10-17
предназначены для работы в цепях постоянного, переменного токов и в
импульсных режимах. К10-17Б - изолированные окукленные керамические
конденсаторы, исполнение - всеклиматическое. Рабочая температура от 60ОС до +125ОС.
Транзисторы КТ315Б заменим на КТ3102. Транзисторы КТ972Б
кремниевые
эпитаксиально-планарные
структуры
n-p-n
усилительные.
Предназначены для применения в выходных каскадах систем автоматики.
Корпус пластмассовый с жесткими выводами. Кремниевые планарные
транзисторы с каналом n-типа и диффузионным затвором предназначены для
работы в приемной, усилительной и другой аппаратуре. КТ3102А транзистор кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n усилительный
высокочастотный маломощный с нормированным коэффициентом шума на
частоте 1 кГц. Предназначен для работы в усилительных и генераторных
схемах. Выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.
Транзистор КТ817Б - кремниевый эпитаксиально-планарный усилительный
транзисто n-p-n типа. Предназначен для применения в усилителях низкой
24
частоты, операционных и дифференциальных усилителях, преобразователях
и импульсных устройствах. Производится в пластмассовом корпусе с
гибкими выводами.
КД522А - кремниевые, эпитаксиально-планарные, импульсные диоды.
Предназначены для применения в импульсных устройствах. Выпускаются в
стеклянном
корпусе
с
гибкими
выводами.
КД409А
кремниевые
-
эпитаксиально-планарные быстродействующие диоды. Предназначены для
работы в селекторах телевизионных каналов, в высокочастотных детекторах
сигналов, а также других блоках и узлах радиоэлектронной аппаратуры
широкого применения.
Микросхема К176ИЕ5 представляет собой 15-разрядный двоичный
счётчик - генератор секундных импульсов. Была разработана специально для
работы в схемах электронных часов, но находит применение и в других
устройствах. Производится в корпусе DIP 14.
представляет
собой
два
асинхронной
установки
двухступенчатых
и
сброса
и
Микросхема К561ТМ2
D-триггера
со
противофазными
входами
выводами.
Производится в корпусе DIP 14. Микросхема К561ЛН2 содержит 6
буферных (усиленных) инверторов стандартной КМОП логики. Микросхема
К176ИЕ2 представляет собой 5-разрядный двоичный счетчик. Выполнена в
корпусе DIP 16. Микросхема К561ЛА7 - цифровая интегральная микросхема
КМОП логики. Содержит 4 логических элемента 2И-НЕ. Нумерация ног
начинается
от
ключа
на
корпусе
против
часовой
стрелки.
Микросхемы К176ИЕ4, К176ИЕ3 — десятичные счетчики по модулю 10 и 6
соответственно дешифраторами для вывода информации на семисегментный
индикатор. Назначение счетчиков К176ИЕ4 и К176ИЕ3 — обслуживание
семисегментных
индикаторов
измерительных
приборах.
в
электронных
Микросхема
часах
К561ПУ4
и
цифровых
содержит
6
преобразователей уровня от КМОП-логики к ТТЛ, которые могут быть
использованы
также
в
качестве
буферных
усилителей.
К174ХА2
представляет собой полупроводниковую интегральную микросхему 3-й
25
степени
интеграции. Она содержит 34 транзистора, 21 диод, и 57
резисторов. Микросхемы КР142ЕН2Б представляют собой стабилизаторы
напряжения
компенсационного
типа
с
регулируемым
выходным
напряжением положительной полярности и током нагрузки 150 мА.
Микросхемы КР142ЕН8А представляют собой мощные стабилизаторы
напряжения с фиксированным выходным напряжением положительной
полярности и током нагрузки до 1,5 А. Имеют защиту от перегрузок по току
и перегрева кристалла.
26
3. Конструкторско-технологическая часть
3.1. Конструкторско-технологические требования
– Тип производства - мелкосерийное;
– Климатические факторы среды
– Для защиты от внешних факторов цифровой эхолот помещается в
корпус;
– Для обеспечения мелкосерийного производства с наименьшими
затратами, цифровой эхолот выполняется на печатных платах, которые
должны соответствовать:
1) ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Параметры конструкции.
2) ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры.
3) ГОСТ Р 50621-93 (МЭК 326-4-80). Платы печатные одно- и
двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические
требования.
– Диагностическая карта является портативным устройством,
работающим в режиме естественной конвекции;
– Номинальный режим работы - непродолжительный;
– Средний срок службы - 10 лет.
3.2.Обоснование конструкции устройства
Разработка конструкции цифрового эхолота производится на основе
требований
технического
задания
и
анализа
схемы
электрической
принципиальной. В разработку конструкции устройства входит выбор и
обоснование
компоновки
ЭРЭ,
выбора
монтажа,
выбора
стандартизированных деталей, выбора флюсов и припоев для монтажа,
выбора способов защиты от статического электричества и электромагнитной
совместимости устройства.
3.2.1. Обоснование исполнения печатного узла
Цифровой эхолот реализуется на пяти односторонних печатных платах.
Печатные платы представляют собой электроизоляционные платы с
27
отверстиями для установки выводов электрорадиоэлементов и системой
проводников,
соединяющей
элементы
в
соответствии
со
схемой
электрической принципиальной.
3.2.2. Обоснование выбора корпуса
Прибор помещается в корпус.
Корпус мы выберем 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 200мм, по
ширине 150мм и по высоте 75мм. На внутренней поверхности корпуса
отлиты стойки для горизонтального размещения печатных плат. Эскиз
корпуса представлен на рисунке 3.
Рис.3. Корпус G2120
В крышке корпуса просверливается окно для цифровых индикаторов и
отверстия под выключатель Q1. На окно для индикаторов с внутренней
стороны приклеивается фильтр из цветного стекла. В боковой стенке
просверливается отверстия для
разъема X1 коаксиального кабеля, к
28
которому
подключается
датчик
и
разъема
X2
для
подключения
аккумуляторной баратеи.
Платы у устанавливаются горизонтально друг над другом в виде
этажерки, и закреплены они на специальных стойках в корпусе.
3.3. Выбор и обоснование материалов для изготовления печатного
узла
Используем
односторонние
печатные
платы
для
изготовления
Цифрового эхолота.
В соответствии с ГОСТ Р50621-93, ГОСТ Р 53429-2009 и ГОСТ 1031779, ОСТ 4.010.022-85 и основываясь на требованиях ТЗ, плата должна
удовлетворять следующим требованиям:
Класс точности печатной платы - 3
Группа жесткости - 3
Шаг координатной сетки - 1.25
3.3.1. Выбор класса точности
Точность изготовления печатных плат с практической точки зрения
определяет основные параметры элементов печатной платы и зависит от
комплекса технологических характеристик . Прежде всего это относится к
минимальной ширине проводников, расстоянию между проводниками,
расстоянию от края отверстия до контактной площадки.
ГОСТ Р 53429-2009 предусматривает семь классов точности печатных
плат. Конструкторская документация на печатную плату должна содержать
указание на соответствующий класс точности, который обусловлен уровнем
технологического оснащения производства. Исходя из технического задания
выберем класс точности 3. Печатные платы 3-ro класса - самые
распространенные, так как, с одной стороны, обеспечивают достаточно
высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой — для их
производства требуется рядовое, хотя и специализированное, оборудование.
29
В таблице 3 показаны параметры данного класса точности.
Таблица 3
Условные обозначения
Значения
элементов печатного монтажа
Наименьшая ширина
0.25
проводника t,мм
Наименьшее расстояние между
0.25
проводниками S,мм
Минимально допустимая
0.10
ширина контактной площадки b,мм
Предельное отклонение ∆t,мм
±0.10
Позиционный допуск
0.05
расположения проводника
относительно соседнего T1,мм
3.3.2. Метод изготовления печатных плат и нанесения рисунка
Существует два основных метода изготовления печатной платы :
субтрактивный и аддитивный. Субтрактивный метод заключается в
нанесении покрытия с рисунком печатных проводников, стойкого к
травлению, на фольгированную основание, с последующим травлением
незащищенных участков основания. При аддитивном методе изготовления на
нефольгированное основание наносится рисунок печатных проводников.
Для изготовления Цифрового эхолота выберем субтрактивный метод,
так как он широко распространен в современной промышленности, наиболее
подходит для изготовления односторонних печатных плат и является
простым и не требует больших денежных затрат.
Субтрактивный метод включает в себя:
1. Нарезка заготовки;
30
2. Просверливание монтажных крепежных отверстий;
3. Подготовка поверхности фольги, устранение заусенцев;
4. Трафаретное
нанесение
слоя
кислотостойкой
краски,
закрывающей участки фольги, неподлежащие вытравливанию;
5. Травление открытых участков фольги;
6. Сушка платы;
7. Нанесение паяльной маски;
8. Горячее облуживание открытых монтажных участков припоем;
9. Нанесение маркировки;
10. Контроль.
Существует три метода нанесения рисунка на печатную плату:
фотопечать, сеткографический метод и офсетная печать. При методе
фотопечати
поверхность
фольгированного
диэлектрика
покрывают
светочувствительным позитивным или негативным фоторезистом, на
который копируют рисунок расположения проводников. Сеткографический
метод основан на нанесении специальной краски на плату путем
продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на
котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для
продавливания. Этот метод является довольно экономичным в условиях
массового производства и обеспечивает высокую производительность. Метод
офсетной печати заключается в том, что изготавливается печатная форма и
на ее поверхности формируется рисунок слоя. Форму закатывают валиком
трафаретной краской, после чего краска переносится с помощью офсетного
цилиндра с формы на подготовленную поверхность основания печатной
платы. Применяется для 1 и 2 классов точности.
Выберем сеткографический метод, потому что он подходит для
односторонних плат 1-3 классов точности и является более экономичным в
сравнении с методом фотопечати.
31
3.3.3. Материал основания
По
ГОСТ
использования
в
стеклотекстолит
10316-78
плате
выберем
наиболее
фольгированный
материал
оптимальным
СФ-1-35Г.
для
основания.
вариантом
Это
Для
является
односторонний
стеклотекстолит, с толщиной фольги 35мкм, и имеющий собственную
толщину 1.5 мм. Он является одни из наиболее распространенных
материалов и подходит нам из экономических соображений.
3.4. Межсоединения
Межсоединения на печатной плате реализуются с помощью печатных
проводников. Электрорадиоэлементы, в свою очередь, соединяются с
печатными проводниками посредствам пайки для получения электрических
соединений.
3.4.1. Припой
Припой - это металл или сплав, который используется для соединения
элементов, деталей и узлов путем пайки. Припой должен обладать ряд
свойств, например, хорошей текучестью в расплавленном состоянии, иметь
температуру плавления ниже, чем соединяемые материалы. Выбирают
припой с учётом физико-химических свойств соединяемых металлов,
требуемой механической прочности спая, его коррозионной устойчивости и
стоимости.
Для применения в печатных платах, выберем припой ПОС-61 по ГОСТ
21931-76.
Этот
припой
используется
для
лужения
и
пайки
электрорадиоаппаратуры, печатных плат точных приборов с высокогерметичными швами, также используется, когда при паянии нельзя
допускать перегрева детали. Припой ПОС-61 имеет высокое содержание
олова и температуру плавления 183-190ºС, которой недостаточно чтобы
перегреть элемент.
32
3.4.2. Флюс
Флюс - это вещества, предназначенные для очищения поверхности от
окислов, улучшает растекание жидкого припоя и защищает от факторов
внешней среды. Для изделия выберем флюс ЛТИ-120 (ТУ 84-406-73) - это
раствор канифоли в спирте с добавление активаторов, он предназначен для
удаления окисной пленки с поверхности деталей и припоя, тем самым
обеспечивая смачивание припоем паяемых поверхностей деталей и припоя,
для
защиты
от
окисления
и
снижения
поверхностного
натяжения
расплавленного припоя на границе металл-припой, что способствует
текучести припоя.
3.4.3. Защитное покрытие
В качестве защитного покрытия выберем лак УР-231ВТУ ГИПИ-4
№366-62. Лак УР-231 – это защитный лак для печатных узлов и
металлических изделий всеклиматического исполнения. Лак обладает
хорошими механическими и электроизоляционными свойствами. Лак
двухкомпонентный: основа лака – алкидно-эпоксидная смола и отвердитель
ДГУ. Предел рабочих температур: -60…+80 °С.
Для маркировки целесообразно использовать эмали ЭП-72, ЭП-5155
или АС-5307.
3.5. Установка элементов на плату
Радиоэлементы
чертежом. Перед
устанавливаются
в соответствии
со сборочным
установкой элементы должны пройти процедуру
формовки, то есть выводы элементов загибаются в соответствии с ОСТ
45.010.030-92.
Установка резисторов С2-23проводится в соответствии с ГОСТ 2913791. Вариант установки 011.01.0301.00.00.
Установка резисторов С1-4 проводится в соответствии с ГОСТ 2913791. Вариант установки 011.01.0301.00.00.
33
Установка конденсаторы К50-29 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 01.03.0000.00.00.
Установка конденсаторы К10-17 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 180.07.0000.00.00.
Установка транзисторов КТ3102 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 230.09.1002.00.00.
Установка транзисторов КТ972Б проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 020.07.0000.00.00.
Установка диодов КД522А проводится в соответствии с ГОСТ 2913791. Вариант установки 010.01.0000.00.00.
Установка микросхемы К176ИЕ5 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 330.00.0000.00.00.
Установка микросхемы К561ТМ2 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 330.00.0000.00.00.
Установка микросхемы К561ЛН2 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 320.00.0000.00.00.
Установка микросхемы К176ИЕ2 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 330.00.0000.00.00.
Установка микросхемы К561ЛА7 проводится в соответствии с ГОСТ
29137-91. Вариант установки 330.00.0000.00.00.
Установка катушки индуктивности L1 проводится в соответствии с
ОСТ45.010.030-92. Вариант установки 140.00.0000.00.00.
3.5.1. Размеры компонентов
В
таблице
4
приведены
типономиналы
с
конструкторскими
параметрами, необходимые для трассировки печатной платы А1
Таблица 4
Наименование
Параметры
Количество
С2-23
HxDxd 6.0x2.3x0.6
15
34
С1-4
HxDxd 6.0x2.3x0.6
3
К50-29
DxLxd 6.0x13x0.6
2
К10-17А
LxTxAxd 6.8x4.6x2.5x0.6
4
К10-17Б
LxWxAxd 7.5x5.0x5.0x0.6
4
КТ3102
DxExb 4.6x5.0.5
2
КТ972Б
DxExAxb
2
7.5x10.6x2.5x0.75
КД522А
LxWxd 3.8x1.9x0.5
2
К176ИЕ5
LxWxHxd
1
19.5x7.6x5.1.0.5
К561ТМ2
LxWxHxd
1
19.5x7.6x5.1.0.5
К561ЛН2
LxWxHxd
1
19.5x7.6x5.1.0.5
К176ИЕ2
LxWxHxd 20x7.6x5.1x0.5
1
К561ЛА7
LxWxHxd
1
19.5x7.6x5.1.0.5
РК46
LxWxAxd 13x3.4x10.0.6
Т1
Dxdxh 16x8x6
L1
LxWxd 15x6x0.6
1
1
3.6. Расчет параметров печатных проводников
3.6.1. Расчет диаметра крепежных отверстий и контактных площадок
Номинальный диаметр отверстия производится по формуле:
𝑑 − (|∆𝑑|)н.о. ≥ 𝑑э + 𝑟
Где:
(|∆𝑑|)н.о. – нижнее отклонение. (Для 3-го класса точности и не
металлизированных отверстий 0.05);
35
𝑟 – разность между минимальным значением диаметра отверстия и
максимальным значением вывода (для ручной установки в пределах
0.1…0.4);
𝑑э − диаметр вывода ЭРИ.
Отсюда получаем: 𝑑 = 𝑑э + 0.15
2) Номинальный диаметр контактной площадки выбирается в
соответствии с классом точности печатной платы и рассчитывается по
формуле:
𝐷 = 𝑑 + 𝛥𝑑в.о. + 2𝑏 + 𝛥𝑡в.о. + 2𝛥𝑑т.р. + [𝑇𝑑 2 + 𝑇 2 𝐷 + 𝛥𝑡 2 н.о. ]0.5
Где:
𝑑в.о. − верхнее предельное отклонение диаметра отверстия (для 3-го
класса точности 0.05 и отверстия < 1мм);
𝑏 − гарантийный поясок (для 3-го класса точности 0.10);
𝛥𝑑т.р. − величина подтравливания диэлектрика в отверстии (для ООП
= 0);
𝑡в.о. и 𝑡н.о. − верхнее и нижнее предельное отклонения ширины
проводника (для 3 класса точности 0.05);
𝑇𝑑 −
позиционный
допуск
расположения
осей
монтажного
отверстия(для 3 класса точности 0.15);
Т𝐷 − позиционный допуск расположения центра контактной площадки
(для 3-го класса точности 0.25).
Итого получаем: D = d + 0,6
В таблице 5 приведены диаметры контактных площадок и крепежных
отверстий для печатной платы А1.
Таблица 5
Элемент
С2-23
Диаметр
Диаметр
Диаметр
выводов, мм
отверстий,
контактной
мм
площадки
0,6
0,75
1,35
Количество
30
36
С1-4
0,6
0,75
1,35
6
К50-29
0,6
0,75
1,35
4
К10-17А
0,6
0,75
1,35
8
К10-17Б
0,6
0,75
1,35
8
КТ3102
0,5
0,65
1,25
6
КТ972Б
0,75
0,90
1,50
6
КД522А
0,5
0,65
1,25
4
К176ИЕ5
0,5
0,65
1,25
14
К561ТМ2
0,5
0,65
1,25
14
К561ЛН2
0,5
0,65
1,25
14
К176ИЕ2
0,5
0,65
1,25
16
К561ЛА7
0,5
0,65
1,25
14
РК46
0,6
0,75
1,35
2
Т1
0,7
0,85
1,45
1
L1
0,6
0,75
1,25
1
по ГОСТ 10317-72 диаметры крепежных отверстий не могут быть
равны0.65, 0.75, они будут округлены в большую сторону.
37
3.6.2. Расчет ширины проводников
Ширина проводника зависит от электрических, конструктивных и
технологических требований.
Минимальная
ширина
проводников,
определяемая:
допустимой
плотностью тока γ, допустимым падением напряжения ∆U:
𝑏=
𝐼𝑚𝑎𝑥
𝛾∙𝛼
Где:
𝑏 – минимальная ширина проводника по допуску;
𝛾 – максимально возможная плотность тока для печатных проводников.
Принимаем  = 100 А/мм 2 .
𝛼 – толщина печатного проводника.
𝐼𝑚𝑎𝑥 – 0.32А
Для выбранного материала платы СФ-1-35-1.50 𝛼 = 0.035мм.
𝑏=
0.32
= 0.09 мм
35 ∙ 10−3 ∙ 100
В итоге мы получаем, что минимальная ширина проводников намного
меньше допустимой ширины по классу точности, примем толщину
проводника 0.25 мм (минимальная ширина по ГОСТ 23751-86)
3.6.3. Расчет расстояния между двумя проводниками
Наименьшее расстояние между проводниками рассчитывается по
формуле:
𝑆 = 𝑆𝑚𝑖𝑛𝐷 + 𝛥𝑡в.о. +
𝑇𝑙
2
Где:
𝑆𝑚𝑖𝑛𝐷 −
минимально допустимое расстояние между элементами
проводящего рисунка (при U ≤ 25 В SmidD = 0.1);
𝑇𝑙 − позиционный допуск расположения печатных проводников (0.05).
38
∆tв.о. − верхнее предельное отклонения ширины проводника (для 3
класса точности 0.05)
S ≈ 0.175 мм
3.7. Расчет электрических параметров
3.7.1. Емкость в печатном монтаже
Емкость между двумя проводниками (рис.4.):
𝐶 = 8.85 ∙ 𝜀 ′ ∙ 𝐶г ∙ 𝑙 [пФ]
Где :
𝜀 ′ - эффективная диэлектрическая проницаемость изоляционных
материалов;
𝐶г - безразмерная величина, определяющая емкость на единицу длины
рассчитываемой системы проводников;
𝑙 – длина системы проводников, м.
Специальный защитный лак используется в печатных платах для
защиты печатного монтажа от воздействия климатических факторов внешней
среды. При этом для одно- и двухсторонних плат при определении 𝜀 ′
необходимо учитывать диэлектрическую проницаемость основания платы 2
= 5.6, для воздуха 1 = 1.
Рис.4 Емкость между проводниками
′
Сг = К ⁄К
𝜀′ =
𝜀1 +𝜀2
= 3.3
2
К = 𝑓() и К’ = 𝑓(’), где  = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 𝑘 и ’ = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 𝑘’.
39
𝑆⁄
2
,
⁄2+𝑡
Модуль эллиптического интеграла 1 рода 𝑘 = 𝑆
t = 0.25мм
𝑆⁄
0.0875
2 =
𝑘 =
= 0.26
𝑆⁄ + 𝑡 0.0875 + 0.25
2
𝑘 ′ = √1 − 𝑘 2 = 0.97
𝛼 = 15°
’ = 75°
′
Сг = К ⁄К = 5
𝐶 = 8.85 ∙ 3.3 ∙ 5 ∙ 0.062 = 9.05 пФ
Из проведенных расчетов видно, что межпроводниковая емкость очень
мала и не буде мешать работе устройства.
3.7.2. Расчет индуктивности печатных проводников
Расчет индуктивности для прямолинейного уединенного проводника:
Рис.5. Прямолинейный уединенный проводник
Индуктивность рассчитывается по формуле:
𝐿 = 0.2𝑙 ∙ (𝑙𝑛
2𝑙
0.224(𝑡 + 𝑡ср )
− 1)
Где l – длина проводника.
𝐿 = 0.2 ∙ 0.062 ∙ (𝑙𝑛
2 ∙ 0.062
− 1) = 0.081 мкГн
0.224 ∙ (0.285 ∙ 10−3 )
Расчет индуктивности для двухпроводной печатной линии:
40
Рис.6. Двухпроводная печатная линия
𝑆′
𝐿 = 0.4(𝑙𝑛
+ 1.5)
𝑡 + ℎф
0.44 ∙ 10−3
𝐿 = 0.4 (𝑙𝑛
+ 1.5) = 0.774 мкГн
(0.285 ∙ 10−3 )
3.7.3. Взаимная индуктивность печатных проводников
Расчет взаимной индуктивности
Рис.7. Проводники без экранизирующей плоскости
Взаимная индуктивность печатных проводников вычисляется по
формуле:
𝑀 = 0.2𝑙(𝑙𝑛
𝑀 = 0.2 ∙ 0.062 (𝑙𝑛
Из
расчетов
индуктивностей
видно,
печатных
2𝑙
− 1)
𝑆′
2 ∙ 0.062
− 1) = 0.058 мкГн
0.44 ∙ 10−3
что
максимальные
проводников
и
значения
взаимных
паразитных
индуктивностей
проводников малы, они не окажут влияния на выходные параметры платы, и
ими можно пренебречь в процессе создания платы.
41
3.8. Моделирование
3.8.1. Тепловое моделирование блока
Расчет теплового моделирования блока происходит в подсистеме
АСОНИКА-Т. Подсистема АСОНИКА-Т предназначена для автоматизации
моделирования
тепловых
процессов
микросборок,
радиаторов,
теплоотводящих оснований, гибридно – интегральных модулей, блоков
этажерочной и кассетной конструкции, шкафов, стоек и других нетиповых
(произвольных) конструкций.
Построим модель теплового процесса герметичного блока РЭС.
Размеры блока: длина –200мм, ширина –150 мм, высота – 75 мм.
Толщина стенок блока – 4 мм. Коэффициент теплопроводности материала
корпуса блока – 0.25 Вт/м*К, коэффициент черноты – 0.8, коэффициент
облученности - 0.8.
Зададим в подсистеме АСОНИКА-Т типовую конструкцию корпуса и
его параметры. Корпус находится в окружающей среде, тип расчета стационарный. На рисунке 8 представлено окошко ввода параметров
корпуса.
42
Рис. 8. Окно ввода параметров корпуса
После ввода параметров в основном окне появляется топологическая
модель корпуса (рис.9.).
Рис. 9. Топологическая модель корпуса
После
этого
необходимо
добавить
узлы,
которые
будут
соответствовать печатным узлам, и также задать их параметры.
43
Создаем новый узел А2, и задаем для него параметры взаимодействия.
Печатный узел взаимодействует излучением с правой, левой, передней и
задней стенками корпуса - ветви типа 16 (рис. 10.); с соседними печатными
узлами через воздушные прослойки - ветви типа 41 (Рис. 11.).
Рис. 10. Окно ввода параметров взаимодействия ПУ со стенками корпуса
44
Рис. 11. Окно ввода параметров взаимодействия ПУ с соседними ПУ через
воздушные прослойки
Далее
создаем начальные узлы (пронумерованы 0). Один узел 0
соединяем с узлом 7 (окружающая среда) и задаем тип воздействия постоянная температура 25°С.
Второй узел 0 мы соединяем с узлом 10 (печатный узел А2), потому
что тепловыделение идет от печатной платы, и задаем тип воздействия постоянная мощность. Те же действия выполняются для все остальных
печатных узлов. В итоге получаем модель, готовую к расчету (рис. 12.)
45
Рис. 12. Топологическая модель
В результате моделирования мы можем рассчитать температуры в
узлах тепловой модели, которые соответствуют температурам стенок
моделируемого корпуса, печатных узлов, а также воздуха внутри корпуса.
Результаты расчета приведены для температуры окружающей среды 25°С
(Рис. 13.) и для температуры 40°С (Рис.14.)
46
Рис. 13. Результаты расчета при 25°С
47
Рис. 14. результаты расчета при 40°С
После проведенных расчетов видно, что температуры печатных узлом
не выходят за допустимые пределы рабочих температур ЭРИ, при которых
устройство функционируют нормально. Тем самым не нужно вносит никаких
изменений в конструкцию цифрового эхолота с целью понижения рабочих
температур.
3.9. Электромагнитная совместимость
Повсеместное внедрение электротехнических и радиоэлектронных
средств (РЭС) в нашу
жизнь приводит к возрастанию уровней
электромагнитных
которые
полей,
создаются
ими
в
окружающем
пространстве. Эти поля являются сильнейшими помехами для других
подобных устройств, ухудшая условия их функционирования и снижая
48
эффективность применения. В этом процессе нетрудно увидеть характерные
черты диалектического развития: прогресс в данной области техники стал
все более сдерживаться отрицательными явлениями, порожденными ее
количественным ростом. Дальнейший прогресс потребовал преодоления
этой тенденции, т. е. развития на новом качественном уровне, заключающемся
в обеспечении совместного функционирования различных средств. Так
появилось
направление
одновременную
и
радиоэлектроники,
совместную
работу
призванное
различного
обеспечить
радиотехнического,
электронного и электротехнического оборудования. Это направление получило
название электромагнитной совместимости электронных средств (ЭМС ЭС).
Обеспечение совместной работы электронных средств относится к
одной из наиболее важных и актуальных проблем современной техники,
так как продолжающийся процесс развития электротехники, электроники и
радиоэлектроники
усиливает
зависимость
результатов
применения
создаваемых ЭС от условий их совместного функционирования.
Электромагнитное поле (ЭМП) - это форма материи, с помощью
которой и в которой к происходит взаимодействие между заряженными
частицами. Это поле представляет собой взаимосвязанные переменные
магнитное поле и электрическое поле. Взаимная связь магнитного Н и
электрического Е полей заключается в том, что всякое изменение одного из
них приводит к появлению другого: переменное электрическое поле, которое
появляется за счет ускоренно движущихся зарядов (источников), возбуждает
в соседних областях пространства переменное магнитное поле, которое, в
свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства
переменное электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное
поле
распространяется
от
точки
к
точке
пространства
в
виде
электромагнитных волн, которые бегут от источника. Из-за того, что
скорость распространения волн конечна, электромагнитное поле способно
существовать автономно от создавшего его источника и не пропадает с
49
исчезновением этого источника (например, радиоволны не исчезают с
прекращением тока в излучившей их антенне).
Электромагнитная совместимость (Electro Magnetic Combatibility —
EMC)
—
это
способность
электрооборудования
удовлетворительно
функционировать в условиях электромагнитных воздействий со стороны
окружающей среды, а также не оказывать недопустимого воздействия на эту
окружающую среду, которая включает в себя другое электрооборудование. В
последнее время пристальное внимание уделяется вопросам обеспечения
электромагнитной совместимости электронных устройств и модулей с их
отдельными узлами и компонентами. Рост требований к дальнейшему
улучшению характеристик электромагнитной совместимости обусловлен
тем, что область применения электронных устройств постоянно расширяется.
Системные решения на основе микроэлектроники и полупроводниковой
электроники применяются во всех сферах промышленности, домашнего
хозяйства и на транспорте. В настоящее время оценка продукции с точки
зрения ЭMC необходима в ещё большей степени, чем на ранних этапах
развития электроники. Электромагнитная совместимость нарушается, если
уровень помех слишком высок или помехоустойчивость оборудования
недостаточна. В этом случае возможны нарушения в работе компьютеров,
цифровых устройств релейной защиты, систем цифрового управления и АСУ
разного уровня, появление ложных команд в указанных системах, что может
привести
к
катастрофическим
электромагнитной
совместимости
последствиям.
Основные
рассматривают
понятия
воздействие
как
излучаемых, так и кондуктивных помех (наводки), распространяющихся по
проводникам
(например,
чувствительность
наводки
по
электрооборудования
(помехоустойчивость).
При
этом
цепям
питания),
к
воздействию
характеристики
а
также
помех
электромагнитной
совместимости могут определяться в полосе частот 0…400 ГГц. Взаимосвязь
основных понятий электромагнитной совместимости приведена на рисунке
15.
50
Рис. 15. Различные аспекты электромагнитной совместимости
Электромагнитные помехи возникают вследствие природных явлений
или как результат технических процессов. Примерами естественных помех
могут
служить
возникающие
атмосферные
при
ударе
разряды
молнии)
или
(электромагнитные
электростатические
импульсы,
разряды
(ElectroStatic Discharge — ESD). Последние имеют особенно большое
значение
в
оборудовании
полупроводниковой
основным
электронике.
источником
помех
В
промышленном
являются
процессы
переключения в электрических цепях, связанные с очень быстрым
изменением токов и напряжений, что, в свою очередь, ведёт к появлению
электромагнитных помех, которые могут быть периодическими или
случайными. Воздействие этих помех может носить как кондуктивный (в
виде наводки на токи или напряжения в проводниках), так и излучательный
(под влиянием переменного электромагнитного поля) характер. Тип
кондуктивной помехи, когда наведённый в проводниках ток имеет знак, т.е. с
одинаковой амплитудой протекает как в прямом, так и в обратном
направлении, называется симметричной, или дифференциальной, помехой.
Если ток помехи замыкается на землю или протекает по проводнику в одном
направлении, то такая помеха называется асимметричной, или синфазной.
51
Электромагнитная связь между источником и приёмником помех может
возникать в результате:
 гальванической связи (наиболее распространённый случай),
которая создаёт симметричные помехи;
 ёмкостной
связи,
возникающей
в
результате
воздействия
переменного электрического поля на паразитные конструктивные ёмкости;
 индуктивной связи, вызванной нахождением проводника, по
которому течёт ток, в переменном магнитного поле;
 электромагнитной связи, которая может иметь кондуктивной
характер (возникает как наводка на проводники в кабельных жгутах или на
проводящие дорожки печатной платы) либо распространяется путём
излучения (если ширина зазора между источником и приёмником помехи
превышает 0.1 длины волны излучения λ).
Помехи, которые создаются
источниками (токи, электрические и
магнитные поля, напряжения), могут появляться как в виде случайно
распределенных
во времени
величин, так и в виде периодически
повторяющихся. И в том и в другом случае речь может идти как об
широкополосных, так и об узкополосных процессах. Процесс называют
узкополосным тогда, когда энергия спектра в основном сосредоточена в
относительно
не широкой
полосе
частот
около
некоторой
зафиксированной частоты ω0 или широкополосным, если данное условие
не выполняется.
При систематизации чаще всего, в первом приближении, не смотря
на то, что вариантов существует огромное множество, выделяют четыре
типа помех. Их примеры представлены на рис. 16.
52
Рис.16. Систематизация разновидностей электромагнитных помех
На данном рисунке приведены следующие типы помех:
 последовательность
импульсов.
Такие
прямоугольных
бесконечные
(например,
последовательности
тактовых)
могут
быть
представлены в форме ряда Фурье и является примером широкополосного
процесса с дискретным спектром.
 синусоидальная, постоянно действующая периодическая помеха
с частотой 50 Гц, чаще всего проникает из системы питания или является
высокочастотной несущей волной.
Данная помеха имеет спектральную
плотность, представляемую двумя линиями вида
X ω = X
max
(δ( ω −ω0) + (δ( ω +ω0) и представляет собой
узкополосный процесс;
 однократные затухающие периодические импульсы,
случайно
возникающие, например, в системе электроснабжения и представляющие
собой узкополосный процесс;
 одиночные импульсы, которые образованы двумя экспонентами
(к примеру,
разряды атмосферного или статического электричества)
представляют собой широкополосный процесс.
Помехи, которые возникают в проводах, можно рассматривать
как синфазные или противофазные токи и напряжения. Синфазные
53
напряжения помех (несимметричные, продольные напряжения) возникают
между каждым проводом и землей и воздействуют на изоляцию проводов
относительно земли. Синфазные
помехи в основном обусловлены
разностью потенциалов в цепях заземления прибора. Противофазные
напряжения
помех
(симметричные,
поперечные)
возникают
между
проводами двухпроводной линии . Противофазные помехи возникают через
гальванические или полевые связи или преобразуются из синфазных помех в
системах, которые несимметричны по отношению к земле. Противофазные
напряжения помех непосредственно накладываются на полезные сигналы
в сигнальных цепях, создавая шумы, или на напряжение питания в цепях
электроснабжения, действуют на линейную изоляцию между проводами и
могут
быть
автоматизации
восприняты
и
как полезные
таким образом
сигналы
в
устройствах
устройство может функционировать
ошибочно.
Для решения проблемы ЭМС существует несколько способов:
 Сетевые фильтры предназначены того чтобы подавлять помехи
от источника электропитания и передавать на выход (в прибор) только
частоту сетевого напряжения. Для того чтобы защитить аппаратуру от
перенапряжений в схему сетевого фильтра обычно вводят стабилитроны,
газоразрядники, варисторы, предохранители.
 Использование металлического листа в качестве «земли». такой
метод применяется для элементов второго уровня конструктивной иерархии
РЭА (субблок, блок, панель). Смысл заключается в том, что в эти
конструктивные элементы устанавливается толстый металлический лист, к
которому припаиваются обратные провода от все ячеек или модулей.
Помехоподавляющие фильтры. Эффективным схемным средством для того
чтобы
ослабить
внешние
помехи
в
сетях
питания
используют
помехоподавляющие фильтры.
Фильтры
характеризуются
фильтрации, который равен
частотой
среза
и
коэффициентом
отношению сигнала на входе к отношению
54
сигнала на выходе фильтра. Такие схемы фильтров проектируют для того
чтобы ослабить помеху (в идеале до нуля), зная спектр частот полезного
сигнала и спектр частот помехи.
 Сплошные металлические прокладки используют в качестве шин
питания. Такой метод применим если используются многослойные печатные
платы
для
устройств
сверхбыстродействующей
радиоэлектронной
аппаратуры. В таких платах изготавливаются слои с максимально возможной
площадью металла, эти слои помещают в внутри многослойной печатной
платы и используют их в качестве шин питания. Но если
сплошные
металлические
слои,
то
значительно
использовать
падает
собственное
индуктивное сопротивление шин питания, общие участки протекания токов
различных элементов и увеличивается взаимная емкость между шинами
питания.
 Применение экранов в радиоэлектронной аппаратуре. Когда
мощные сигналы проходят по цепям питания, они могут стать источником
электромагнитного поля, которое, в свою очередь, может создавать помехи в
других цепях связи. Источниками электромагнитных
помех могут быть
также мощные промышленные установки, транспортные коммуникации,
двигатели и т.д. Устройства, которые чувствительны к статическим
магнитным
полям
(например,
магнитные
элементы
с
разомкнутым
магнитопроводом), могут работать неустойчиво даже от магнитного поля
Земли.
Экраны устанавливаются в конструкцию РЭА для того чтобы ослабить
ненужное возмущающее поле в каком-либо ограниченном объеме до
необходимого уровня или же для нейтрализации действия источника полей.
Есть два варианта защиты. В первом варианте, аппаратура, которая должна
быть защищена от помех, помещается внутрь экрана, а источник помех
остается снаружи. Во втором случае наоборот: источник помех заключается в
защитный экран, а аппаратура остается снаружи. Первый вариант обычно
используют при защите от внешних помех, второй - внутренних.
55
В радиоэлектронной аппаратуре функции экранов часто выполняют
панели, кожухи и крышки приборов, стоек и блоков. Материалы и их
толщину
необходимо выбирать, учитывая требования обеспечения
механической жесткости и надежности соединения отдельных элементов, а
также из соображений эффективности экранирования.
Если в экране присутствуют отверстия и щели, то они будут снижать
эффективность защиты, поэтому от них нужно избавляться по максимуму. К
сожалению, полностью этого сделать невозможно. Отверстия необходимы
для обеспечения нормального теплового режима и вентиляции устройства, а
также они нужны в кожухе для установки различных элементов и
компонентов.
Если
в
конструкции
экрана
выполнены
отверстия,
максимальный размер которых не превышает 1/2 минимальной длины волны
сигнала, который экранируется, то эффективность экрана не ухудшится.
Иногда закрепляют специальную металлическую сетку на внутренних
поверхностях кожуха, чтобы помеха не проникла через вентиляционные
отверстия.
По
принципу
действия
различают
электростатическое,
магнитостатическое и электромагнитное экранирования.
Электромагнитное экранирование охватывает диапазон частот от 1 кГц
до 1 ГГц. Действие экрана заключается в том, что электромагнитная энергия
отражается на границе диэлектрик-экран и затухает в толще экрана.
Затухание в экране можно объяснить тепловыми потерями на вихревые токи
в материале экрана, а отражение происходит из-за несоответствия между
волновыми параметрами материала экрана и окружающей среды. Для
нижней границы частотного диапазона большое значение играет отражение,
для верхней же границы - поглощение электромагнитной энергии.
Электромагнитное экранирование выполняется как магнитными, так и
немагнитными металлами. В низкочастотной части спектра, целесообразно
использовать
ферромагнитные
немагнитные
металлы
высокой
материалы
высокой
магнитной
проводимости,
и
электрической
56
проводимости - во всем частотном диапазоне электромагнитного поля.
Толщина экрана должна быть по возможности наибольшей. Медны и
алюминиевые экраны хорошо проявляют себя в диапазоне частот до 1 МГц, а
при частотах выше 1 МГц лучше использовать экраны из стали. Но
наилучшие результаты можно получить при использовании многослойных
экранов, в которых чередуются магнитные и немагнитные металлы.
Возможны различные варианты материалов слоев: медь – сталь - медь, медь
– пермаллой – медь, пермаллой - медь, и др. Также эффективность
экранирования может улучшить внедрение воздушных промежутков,
полостей между слоя металлов (20 - 40% всей толщины экрана). При защите
РЕА от внешнего поля материал с высокой проницаемостью помещают
внутрь, а с низкой проницаемостью помещают наружу. Если же экран
защищает источник электромагнитного поля, то происходит ровно наоборот:
то материал с высокой магнитной проницаемостью должен быть внешним
слоем, а материал с низкой проницаемостью - внутренним.
57
4. Охрана труда
4.1. Защита человека от электромагнитных воздействий
В процессе своей жизнедеятельности человек постоянно находится в
зоне
действия
электромагнитного
поля
Земли,
которое
является
естественным фоном и не наносит вреда человеку. Тем не менее, вся та
электроника, находящаяся вокруг нас в повседневной жизни, не настолько
безопасна.
Электромагнитное
поле
(ЭМП)
-
это
электрические
заряды,
находящиеся в постоянном движении, взаимодействующие друг с другом и
образующие, тем самым поле. Частные проявления ЭМП - электрическое и
магнитное поля. Поскольку изменяющиеся электрическое и магнитное поля
порождают в соседних точках пространства соответственно магнитное и
электрическое поля, эти оба связанных между собой поля распространяются
в виде единого электромагнитного поля.
Источниками электромагнитного поля могу служить многие вещи:
линии электропередач, бытовая техника, радиопередающие устройства.
Для защиты человека были разработаны специальные санитарные
нормы - ГОСТ 12.1.006-84 регламентирует воздействие электромагнитных
излучений на человека, в том числе и те, которые запрещают строительство
жилых и прочих объектов вблизи сильных источников излучения.
Нередко
наиболее
опасным
является
слабое
электромагнитное
излучение, которое действует длительное время. Самое большое влияние
оказывают мобильные телефоны, персональные компьютеры, СВЧ печи.
Персональный компьютер имеет два источника электромагнитного
излучения: это системы блок и монитор, особенно это касается старых
мониторов
с
электронно-лучевой
трубкой.
Мониторы
персональных
компьютеров, выполненные на электронно-лучевых трубках, являются
потенциальными
источниками
мягкого
рентгеновского,
ультрафиолетового, инфракрасного, видимого, радиочастотного, сверх- и
низкочастотного ЭМИ. Современные персональные компьтеры отличаются
58
повышенными работами частот центральных процессоров и переферийных
устройств, а также они потребляют очень много мощности до 400 – 500Вт. В
результате этого уровень излучения системного блока на частотах 40 – 70
ГГц за последние 2 – 3 года увеличился в тысячи раз и стал намного более
серьезной проблемой, чем излучение монитора. Опасность работы за
компьютером еще заключается в том, что человек практически не имеет
возможности работать на расстоянии от компьютера, и, как правило, работа
продолжается очень длительный период времени. В результате исследования
было выявлено , что в России только 15% персональных компьютеров
удовлетворяют международным нормам, а 54% - не удовлетворяют им никак.
Антибликовые, контрастирующие фильтры на экранах дисплеев могут
одновременно
защищают
от
электростатического
потенциала
и
в
определенной степени — от электрической составляющей переменного
электромагнитного излучения.
Экран современных дисплеев покрывается почти прозрачным слоем
металла, который заземляется. Нужно этого, чтобы уменьшить излучения от
монитора. Но таким способом невозможно полностью избавиться от
излучения, его можно также уменьшить путем установки внешнего
защитного фильтра.
Испытано множество типов защитных фильтров. В литературе
известно
несколько
названий
фирм,
которым
выданы
сертификаты
соответствия: «Эргон», «Русский щит» (Россия) и фирм OCLI и 3М (США).
Самый хороший защитный фильтр сможет уменьшить уровень
излучения оператора, сидящего перед экраном ПК, лишь в 2 - 4, уменьшая
электрическую составляющую ЭМИ в непосредственной близости от экрана.
Также необходима комплексная оценка электромагнитной обстановки
в помещениях со множеством компьютеров; также необходимо учитывать
расположения рабочих мест друг относительно друга.
59
Уровень электромагнитного излучения зависит также от проводки, в
помещения должно присутствовать общее заземление, в противном случае
уровень электромагнитного излучения может повысится.
Необходимо
ограничивать и контролировать время работы за
персональным компьютером, и, если это возможно, находиться как можно
дальше от источников электромагнитного излучения в ПК.
60
5. Экологическая часть
5.1. Бессвинцовая пайка
Согласно директивам стандартов RoHS (Restriction of Hazardous
Substances) и WEEE, начиная с 1 июля 2006 года, все электронные
компоненты обязаны производиться с соблюдением жестких экологических
норм и не содержать таких вредных
ртуть,
кадмий
и
других
химических элементов как свинец,
опасных
для
здоровья
соединений.
например свинец вреден тем, что не удаляется из организма человека,
накапливаясь в нем. Потребление свинца при производстве электронных
изделий не столь велико: содержание его в блоке на печатной плате с
высокой плотностью монтажа - всего несколько грамм, к тому же он "связан"
в припое (как правило, олово-свинец), а сама плата герметизирована в
корпусе. Но с окончанием срока жизни электронных устройств возникает
"свинцовая" проблема, особенно если учесть быстрое сокращение сроков
жизни бытовых изделий и ПК и связанный с этим стремительный рост
электронных отходов. В результате в земле оказывается значительное
количество свинца.
Есть пять групп бессвинцовых припоев:
1. Sn/Ag. Серебросодержащие припои используются в качестве
бессвинцовых припоев долгое время. Они имеют температуру плавления
221°Си хорошие механические свойства. Являются эвтектическими. В
сравнении с припоями, содержащими свинец, такие припои имеют большую
надежность пайки.
2. Sn/Ag/Cu. Сплав олова, серебра и меди является
трехкомпонентным
температуру
эвтектическим
плавления
95,5%Sn+3,8%Ag+0,7%Cu
надежностью
и
-
припоем.
217°С.
показал,
спаиваемостью,
чем
Припой
что
Имеет
с
обладает
бессвинцовые
низкую
составом
лучшей
припои,
содержащие серебро и медь. Используется в производстве наряду с
припоями, содержащими серебро.
61
3. Sn/Cu. Медьсодержащие эвтектические припои изначально
первоначально были созданы для пайки печатных плат волной припоя.
Недостатками этого типа являются высокая температура плавления и худшие
механические свойства по сравнению с другими бессвинцовыми припоями.
4. Sn/Zn/Bi. Имеет температуру плавления близкую к температуре
плавления эвтектических припоев, содержащих свинец, но то, что в нем есть
цинк, приводит проблемам, связанным с химической активностью: малое
время хранения припойной пасты, нужно использовать активные флюсы,
потенциальные проблемы коррозии при сборке. Использование такого типа
припоев рекомендуется для пайки в среде защитного газа.
5. Sn/Ag/Bi (Cu) (Ge). Температура плавления припоя в различных
колеблется в диапазоне 200…210°С. Низкая температура плавления сплава
сильно повышает надежность пайки. Добавление меди и/или германия
увеличивает прочность паяного соединения, а также смачиваемость
спаиваемых поверхностей припоем.
Качество бессвинцового припоя определяется количеством "вредных"
примесей в сплаве, снижающих прочность соединения. Например из-за
примеси никеля образуются пустоты в паяном соединении, а из-за алюминия
- соединение тускнеет и появляется зернистость.
Припои на основе сплава олова, серебра и меди, известные как припои
SAC, используются для пайки как оплавлением, так и для пайки волной.
Оловянно-медные припои используются в волновой пайке. Температуры
плавления 215…220°С. Сплав Sn-0,7Cu - оловянно-медный эвтектический
сплав - имеет температуру плавления 227°С, является одним из самых
дешевых бессвинцовых припоев и подходит для пайки волной.
Бессвинцовая пайка мало чем, кроме более высокой температуры,
отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. Но, возможно, нужно будет
провести некоторые изменения в определенных технологических операциях.
Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на
характеристики припойной пасты. Могут измениться
срок службы и
62
хранения, текучесть паст, что потребует изменения конструкции ракеля и
режимов оплавления.
При повышенной температуре пайки может произойти перегрев,
деформация или выход из строя радиоэлементов. Может произойти
расслоение
основания
печатной
платы.
Необходима
переаттестация
технологии пайки, для оценки воздействия более длительного времени пайки
и повешенной температуры. Многие компоненты совместимы с таким
температурным
интегральные
режимом
бессвинцовой
микросхемы,
соединители
пайки.
и
Только
конденсаторы
некоторые
не
могут
использоваться при бессвинцовой пайке, потому что их предельная
температура пайки не превышать 225...230°С.
Влияние бессвинцовой пайки неоднородно на различных стадиях
процесса, если говорить об оплавлении. В большинстве случаев все
изменения происходят из-за более высокой температуры пайки. Необходим
более тщательный и доскональный
выбор компонентов и материалов
основания платы. Также существуют проблемы с охлаждения устройства и
поддержки платы. Например многокомпонентные сплавы, в которых
содержится более двух металлов очень чувствительны к скорости
охлаждения,
и
в
таких
припоях
могут
образоваться
различные
интерметаллические соединения в зависимости от скорости охлаждения.
Проводились исследования стандартной технологии монтажа на
поверхность и пайки волной припоя. На выбор сплава оказывают влияние как
экономические, так и технологические факторы. Дорогими являются сплавы
на основе индия и их не рационально использовать при пайке волной, когда
нужно загружать много припоя.
Флюсы при бессвинцовой пайке волной, почти ничем не отличаются
от флюсов при обычной пайке. При выборе флюса нужно помнить, что
температура бессвинцовой пайки выше, чем обычной, и рекомендуется
использовать водорастворимые флюсы.
63
6. Экономическая часть
6.1. Расчет себестоимости устройства
В таблице 6 приведен расчет стоимости компонентов Цифрового
эхолота.
Таблица 6
Наименование
Цена, руб
Количество
Сумма,руб
С2-23 43 КОм
0,20
1
0,20
С2-23 8,2 КОм
0,20
2
0,40
С2-23 82 КОм
0,20
2
0,40
С2-23 30 КОм
0,20
1
0,20
С2-23 3,6 КОм
0,15
3
0,45
С2-23 6,8 КОм
0,15
4
0,60
С2-23 15 КОм
0,20
2
0,40
С2-23 340 Ом
0,50
1
0,50
С2-23 200 КОм
0,40
1
0,40
С2-23 4 КОм
0,20
1
0,20
С2-23 1 КОм
0,40
22
8,80
С2-23 1 МОм
0,90
1
0,90
С2-23 160 Ом
0,20
1
0,20
С2-23 560 Ом
0,15
4
0,60
С2-23 68КОм
0,18
1
0,18
С2-23 27 КОм
0,15
1
0,15
С2-23 10 КОм
0,15
2
0,30
С2-23 1,5 КОм
0,20
1
0,20
С2-23 750 Ом
0,15
1
0,15
С2-23 47 КОм
0,28
3
0,84
С2-23 12 КОм
0,15
1
0,15
С2-23 3,3 КОм
0,18
3
0,54
С2-23 56 КОм
0,15
1
0,15
64
С2-235,6 КОм
0,15
2
0,30
С2-23 110 КОм
0,30
1
0,30
С2-23 22 КОМ
0,20
1
0,20
С2-23 3.9 КОм
0,15
1
0,15
С2-23 2 КОм
0,20
1
0,20
С2-23 4,7 КОм
0,15
1
0,15
С1-4 1 КОм
0,15
3
0,45
С1-4 1.2 КОм
0,10
1
0,10
С1-4 330 Ом
0,10
1
0,10
С1-4 7,5 КОм
0,10
1
0,10
С1-4 56 Ом
0,15
1
0,15
С1-4 3,8 Ом
0,20
1
0,20
К50-29 20мкФ
0,70
1
0,70
К50-29 470 мкФ
15
1
15
К50-29 1 мкФ
7,50
2
15
К50-29 4,7 мкФ
3,45
1
3,45
К50-29 10 мкФ
6,50
1
6,50
К50-29 1000мкФ
27
1
27
К50-29 220 мкФ
14,81
3
44,43
К10-17А 0,1 мкФ
12
11
132
К10-17Б 15 нФ
7,27
2
14,54
К10-17Б 68нФ
9,70
2
19,4
К10-17Б 47нФ
6,99
3
20,97
К10-17Б 30 нФ
6,50
2
13
К10-17Б 0,15 мкф
10,12
3
30,36
К10-17Б 75 нФ
9,80
3
29,4
К10-17Б 10 нФ
12,69
1
12,69
К10-17Б 0,33 мкФ
12,15
2
24,30
К10-17Б 33 нФ
5,29
1
5,29
65
КД-2 6,8 нФ
1
3
3
КТ3102
27
7
189
КТ972Б
4,50
2
9
КП302А
6
1
6
КТ3102А
27
1
27
КТ817Б
2,70
2
5,40
КД522А
2
6
12
КД409А
1,80
1
1,80
К176ИЕ5
35
1
35
К561ТМ2
6,30
1
6,30
К561ЛН2
8,10
1
8,10
К176ИЕ2
10
1
10
К561ЛА7
4,50
2
9
К176ИЕ4
9
2
18
К176ИЕ3
3
1
3
К561ПУ4
3,60
4
14,40
К174ХА2
10
1
10
КР142ЕН2Б
3,60
2
7,20
КР142ЕН8А
5,40
1
5,40
РК46
35
1
35
SA03-11SRWA
30
3
90
T1
14
1
14
T2
20
1
20
ПЭВ-1 0,12
12
1
12
ПЭВ-2 0,21
15
1
15
ПЭВ-2 0,15
15
1
15
ПЭВ-2 0,2
15
1
15
СФ-1-35Г, 1.5мм
15
1
15
Корпус G2120
300
1
300
66
ПОС-61
76,50
1
76,50
ЛТИ-120
60,75
1
60,75
МТ-1
139
1
139
1620,19
Себестоимость устройства составила 1620,19 рублей, что не превышает
цену эхолотов на рынке, стоимость который начинается в среднем от трех
тысяч рублей. таким образом данное устройство сможет найти свою
потребительскую нишу на рынке.
Заключение
В результате проделанной работы было спроектировано устройство
цифровой эхолот. На основе анализа электрической схемы, был проведен
выбор
и
обоснование
конструкционных
и
конструкции
электрических
устройства,
параметров
проведены
расчеты
печатной
платы,
необходимые при ее изготовлении, а также были тепловое моделирование
устройства
в
подсистеме
АСОНИКА-Т.
Также
были
выполнены
необходимые чертежи устройства, печатного узла, и др. Результатом
проделанной работы является спроектированный цифровой эхолот.
67
Список литературы:
1.
Цифровой эхолот / Забегай С.И. // Радиоматор. – 2012. - №4. – С. 41–
44.
2.
Цифровой эхолот / Забегай С.И. // Радиоматор. – 2012. - №5. – С. 31 –
34
3.
Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. Учебник. -
М.: ФОРУМ:ИНФА - М, 2005
4.
Парфенов Е.М., Камышная Э.Н., Усачев В.П. Проектирование
конструкций РЭА, Радио и связь, 1990.
5.
Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы - М.:
Техносфера, 2005.
6.
Кечиев
Л.Н.
Проектирование
печатных
плат
для
цифровой
быстродействующей аппаратуры, ИДТ, Москва, 2007.
7.
Достанко А.П., Пикуль М.И. Хмыль А.А. Технология производства
ЭВМ. Мн.: Высшая школа, 1994.
8.
Дулин В.Н., Жук М.С. Справочник по элементам радиоэлектронных
устройств. М, Энергия, 1977 г.
9.
Шалумов А.С., Малютин Н.В., Кофанов Ю.Н., Способ Д.А., Жаднов
В.В., Носков В.Н., Ваченко А.С. Автоматизированная система АСОНИКА
для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на
принципах CLAS-технологий. Том 1 / Под ред. Кофанова Ю.Н., Малютина
Н.В., Шалумова А.С. – М.: Энергоатомиздат, 2007. -368 с.
10.
ГОСТ Р 50922-96
11.
ГОСТ Р 50621-93
12.
ГОСТ 10317-72
13.
ГОСТ Р 50397-92
14.
ГОСТ 10316-78
15.
ГОСТ 21931-76
16.
ГОСТ Р 53429-2009
17.
ГОСТ 10317-79
68
18.
ГОСТ 10317-79
19.
OСТ 45.010.030-92
20.
http://www.chipdip.ru/ - электронные компоненты и приборы
21.
http://www.einfo.ru/ - покупка электронных компонентов
22.
http://docs.cntd.ru/ - электронный фонд правовой и нормативно-
технической документации
69
Приложение
70
Скачать