Разработка конструкции и технологии изготовления частотного преобразователя

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ1.1 Анализ схемы электрической принципиальной

1.2 Анализ условий эксплуатации устройства

1.3 Расширенное техническое задание

1.4 Анализ и сравнение аналогов

1.5 Анализ элементной базы

2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

2.1 Обоснование и выбор материалов

2.2 Обоснование конструкции изделия

3 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

3.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

3.2 Расчет параметров электрических соединений

3.3 Расчет радиатора

3.4 Расчет теплового режима

3.5 Расчет надежности

3.6 Расчет на механические воздействия

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Анализ технологичности конструкции изделия

4.2 Разработка технологической схемы сборки для узла А2

4.3 Выбор типового технологического процесса сборки и монтажа узла А2

4.4 Выбор технологического оборудования и оснастки и анализ варианта маршрутной технологии сборки и монтажа изделия

4.5 Разработка варианта маршрутно-операционной технологии

4.6 Организация системы управления качеством изделия

5 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

5.1 Планирование работ на этапе разработки изделия

5.2 Расчет затрат на разработку изделия

5.3 Расчет затрат на стадии изготовления макетного образца

5.4 Расчет производственной себестоимости

6 ОХРАНА ТРУДА

6.1 Производственная санитария

6.2 Промышленная безопасность

6.3 Пожарная безопасность

7 Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях

7.1 Чрезвычайные ситуации, характерные для проектируемого объекта 92

7.2 Меры по ликвидации ЧС

7.3 Защита населения

7.4 Оказание первой медицинской помощи пострадавшим в ЧС

7.5 Повышение устойчивости радиоэлектронной и оптической

аппаратуры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

РИЛОЖЕНИЕ А Перечень элементов ПАЛ.437293.001 ПЭ3

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Спецификация ПАЛ.302821.001

ПРИЛОЖЕНИЕ В Спецификация ПАЛ.302822.001

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Спецификация ПАЛ.437293.001

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Деталировки корпуса, оригинальных изделий…108

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Комплект документов на технологический процесс сборки и монтажа

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время практически 60% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется электродвигателями. Они используются в различных технологических процессах, работают на всевозможных установках. Поэтому достаточно остро стоит задача экономии электроэнергии и уменьшения стоимости электродвигателей. Трехфазные асинхронные двигатели считаются достаточно универсальными и наиболее дешевыми, но в то же самое время подключать их к однофазной сети и управлять частотой вращения достаточно сложно.

Частотные преобразователи используются для управления скоростью вращения трёхфазных асинхронных двигателей. Позволяют существенно сократить энергопотребление устройств с электродвигателями. Обеспечивают защиту двигателя. Позволяют очень точно изменять скорость вращения двигателя. С помощью частотных преобразователей можно осуществлять дистанционное наблюдение и управление асинхронным двигателем. Их можно использовать везде, где есть электродвигатели. Применение преобразователей частоты может быть самым разнообразным, в силу их обширной функциональности.

Управление частотой вращения электродвигателя требуют различные автоматические линии (конвейеры, линии фасовки и упаковки, устройства обдува и охлаждения и т. д.) на которых невозможно применение многоскоростных редукторов из-за необходимости непрерывной работы установки. Заманчива перспектива, увеличения номинальной частоты вращения двигателя, вдвое и более раз или использование малогабаритных двигателей рассчитанных на частоту питающей сети 400-1000 Гц и имеющие меньшую массу и стоимость.

Предлагаемая система управления работает от однофазной сети 220 вольт и позволяет плавно менять обороты двигателя и отображать частоту инвертора на двухразрядном цифровом индикаторе.  Дискретность изменения частоты инвертора составляет 1 Гц и регулируется в пределах от 1 до 99 Гц. В предлагаемой схеме используется число-импульсный метод управления асинхронным двигателем с частотой модуляции 10 кГц позволяющий получать синусоидальный ток на обмотках двигателя [1].

Данная модель является довольно простой по сравнению с большинством существующих аналогов в плане функциональности, но вместе с тем она проста в управлении. А также предполагается, что ее себестоимость будет ниже себестоимости частотных преобразователей такой же мощности.

Целью данного дипломного проекта является разработка конструкции и технологии изготовления блока РЭА - частотного преобразователя, позволяющего регулировать частоту вращения вала электродвигателя. Задачами дипломного проекта являются: анализ исходных данных, схемы электрической принципиальной и условий эксплуатации изделия; составление расширенного технического задания; разработка конструкции блока; проведение конструкторских расчетов; проектирование технологического процесса сборки и монтажа РЭА; расчет экономической эффективности изделия; формулировка требований по технике безопасности и охране труда. В результате выполнения дипломного проекта будет разработан комплект конструкторской и технологической документации.

1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

1.1 Анализ схемы электрической принципиальной

Схема состоит из управляющего устройства DD2, применен микроконтроллер PIC16F628-20/P  работающий на частоте 20 МГц, кнопок управления «Пуск» (SA4), «Стоп» (SA3), кнопки уменьшения и увеличения частоты соответственно SA1, SA2. Двоично-семисегментного дешифратора DD1, светодиодных матриц HG1, HG2. Узла торможения VT3, VT4, K1. 

В силовой цепи используется трехфазный мостовой драйвер DD3 IR2130 фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления.  Данная микросхема имеет систему защиты по току, которая в случае перегрузки выключает все ключи а также предотвращает одновременное открывание верхних и нижних транзисторов и тем самым предотвращает протекание сквозных токов. Для сброса защиты необходимо установить все единицы на входах HN1 - HN3 и LN1 - LN3.  В качестве силовых ключей применены IGBT транзисторы IRG4BC20KD. Цепь перегрузки состоит из датчика тока R14 делителя напряжения R11-R13 позволяющего точно установить ток срабатывания защиты, и интегрирующей цепочки R8 - C5 которая предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций. Напряжение срабатывания защиты составляет 0,5 В по входу ITRP (DD3). После срабатывания защиты на выходе FAULT (открытый коллектор) появляется логический ноль, зажигается светодиод HL1, и закрываются все силовые ключи. Двигатель необходимо включить по схеме звезды.

Источник питания состоит из мощного диодного моста VD12-VD15, токоограничительного резистора R25, фильтрующей емкости C14, емкость C16 предотвращает всплески, которые будут возникать при коммутациях на паразитных индуктивностях схемы. А также маломощного трансформатора  T1, стабилизатора напряжения 15 В DА2 для питания схемы драйвера, и стабилизатора напряжения 5 В DА1 для питания микроконтроллера и схемы индикации.

Конденсатор C16 должен быть типа К78-2 на 600-1000 вольт. Трансформатор T1 мощностью 0,5-2 Вт. Обмотка должна выдавать 19-20 вольт [1].

1.2 Анализ условий эксплуатации устройства

Устройство «Частотный преобразователь» используется в производственных помещениях, цехах, следовательно, имеет промышленную категорию размещения - 3. Прибор предполагается использовать в зоне с умеренным и холодным климатом (УХЛ). В соответствии с ГОСТ 15150-69 на устройство будут воздействовать следующие климатические факторы:

а) температура окружающего воздуха в пределах от минус 10 до плюс 45 °С;

б) предельное содержание коррозионно-активных веществ:

сернистого газа - от 8 до 100 мг/м² за сутки (от 0,01 до 0,125 мг/м³),

хлоридов - не более 0,12 мг/м² за сутки [2];

в) относительная влажность окружающего воздуха (при температуре плюс 25 °С) 93 %;

г) атмосферное давление от 84 до 107 кПа [3].

Так как данное устройство относится к наземной РЭС, то при транспортировке, случайных падениях и т.п. оно может подвергаться динамическим воздействиям. Изменения обобщенных параметров механических воздействий на наземную РЭА находятся в пределах:

а) вибрации от 10 до 70 Гц, виброперегрузка от 1 до 4 g;

б) ударные ускорения - до 98 м/с², длительностью от 5 до 10 мс, частотой от 40 до 80 мин^-1;

в) линейные перегрузки от 2 до 4 g [3].

В техническом задании на разрабатываемое устройство условия эксплуатации определены по ГОСТ 25467-82. Группа исполнения изделия по стойкости к механическим факторам - М2 [4].

1.3 Расширенное техническое задание

1. Наименование изделия: “Частотный преобразователь”.

2. Назначение: преобразователь предназначен для подключения трехфазного асинхронного двигателя к сети 220 вольт и регулировки частоты вращения вала электродвигателя.

3. Состав устройства: блок управления прибором, блок сетевого питания, управляющего устройства (микропроцессора), силового блока (коммутация нагрузки), драйвера управления силовым блоком, блок торможения, блок защиты от перегрузки, блок индикации.

4. Устройство относится к группе переносной РЭА.

5. Класс климатического исполнения - УХЛ (макроклиматический район с умеренным и холодным климатом).

6. Категория размещения - 3 (эксплуатация в закрытых помещениях без искусственного регулирования температуры при отсутствии прямого солнечного излучения, воздействия осадков и ветра).

7. Конструктивные характеристики:

7.1. на передней панели прибора находятся элементы ручного управления оператором и блок индикации;

7.2. элемент коммутации располагается на передней стороне устройства снизу (клемник);

7.3. конструкция устройства должна обеспечивать подключение его к сети переменного тока напряжением 220В и подключение к преобразователю двигателя мощностью до 2 кВт;

7.4. габаритные размеры изделия: не более 250Ч160Ч120;

7.5. масса: не более 2 кг.

8. Электрические характеристики:

8.1. питание частотного преобразователя осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В;

8.2. потребляемый ток в зависимости от мощности двигателя (не более 9 А).

9. Требования по стойкости к климатическим воздействиям:

9.1. температура окружающего воздуха от минус 10 °С до плюс 45 °С;

9.2. максимальная относительная влажность воздуха - 93%;

9.3. атмосферное давление от 84 до 107 кПа.

10. Требования по стойкости к механическим воздействиям:

10.1. прибор не должен иметь конструктивных элементов с резонансными частотами в диапазоне от 10 до 70 Гц.

10.2. прибор должен быть устойчив перед ударными ускорениями до 98 м/с², длительностью от 5 до 10 мс, частотой от 40 до 80 мин^-1;

11. Среднее время наработки на отказ: не менее 5 тыс. ч.

1.4 Анализ и сравнение аналогов

При разработке любого устройства необходимо оценивать целесообразность его производства. Создаваемое оборудование, должно иметь малую себестоимость производства наряду с повышенными техническими характеристиками по отношению к аналогам. Устройство «Частотный преобразователь» востребовано на рынке промышленного оборудования, т.к. это относительно новый вид оборудования. Оно позволяет плавно изменять параметры различных техпроцессов (скорость подачи, вентиляции и т. д.) и при этом экономить электроэнергию. Именно в этих качествах данного вида оборудования заинтересованы предприятия-потребители. Спрос на преобразователи частоты растет, а значит и растет предложение. В данной ситуации конкуренция между основными производителями быстро нарастает. Оборудование становится дешевле, но в то же время оно не лишается своих технических характеристик.

Предлагаемая модель преобразователя частоты отличается своей функциональной простотой, а следовательно и простотой в управлении. Однако это не делает ее не конкурентно-способной по отношению к аналогам, учитывая то, что ее стоимость ориентировочно не будет превышать 80$. Приведем несколько аналогов данного оборудования и сравним их характеристики.

Модель серии ЕI-8000 производство фирмы «Веспер» со встроенным промышленным PLC контролером. Рекомендуется для управления приводами с постоянной, быстроменяющейся, а также вентиляторной нагрузкой. Подъемно-транспортное оборудование, транспортеры, конвейеры, экструдеры, куттера, упаковочные и дозирующие машины, сушильные агрегаты, сепараторы, мельницы, дробилки, вентиляторы, насосы, компрессоры и т.д.

- мощность: до 1,5 кВт.

- выходная частота от 0,1 до 650 Гц.

- полная защита двигателя от перегрузок.

- векторное управление без обратной связи.

- встроенный ПИД-регулятор.

- встроенный контроллер.

- программирование групп преобразователей с помощью модуля копирования.

- возможность дистанционного управления и мониторинга по RS-232/RS-485 (протокол MODBUS).

- встроенный ЭМИ фильтр класса А.

- аналоговые и цифровые входы/выходы для регулирования и дистанционного управления.

Преобразователь фирмы HITACHI серии L200. Инвертор совмещает в себе отлаженную внутреннюю структуру и самые современные компоненты для обеспечения наилучшей производительности.

Основные характеристики:

- встроенный фильтр ЭМИ категории С3;

- мощность 1,5кВт;

- соотвествие мировым стандартам;

- встроенный ПИД-регулятор;

- встроенный интерфейс RS485 с протоколом Modbus;

- вход датчика тепловой защиты электродвигателя;

- цифровой дисплей с встроенным потенциометром;

- функция быстрого запуска;

- функции защиты от перегрузки по току, от повышенного и пониженного напряжения,  от перегрева, от короткого замыкания;

- функцию ограничения перегрузки и т.д;

- возможность подключения выносного пульта управления.

Преобразователь частоты VFD-S фирмы «DELTA». Предназначен для управления скоростью вращения, плавного пуска/останова и защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Работа преобразователя в составе конкретного устройства может быть оптимизирована с помощью его параметрирования (всего 100 программируемых параметров, разбитых на 9 функциональных групп). Параметрирование осуществляется пользователем со встроенного пульта управления или по последовательному интерфейсу.

Особенности:

- современный компактный транзисторный преобразователь частоты с микропроцессорным управлением.

- реализует частотный способ управления двигателем, с широкой возможностью корректировки зависимостей Uвых = f(Fвых) и Fвых = f(Uупр).

- частота ШИМ устанавливается пользователем в диапазоне от 3 до 10 кГц.

- подъем начального пускового момента и компенсация скольжения.

- встроенный тормозной ключ - динамическое торможение двигателя и торможение постоянным током.

- встроенный программируемый логический контроллер.

- последовательный интерфейс RS-485 (MODBUS со скоростью обмена до 38 400 бод).

- автоматический рестарт после кратковременного пропадания питающего напряжения.

- перегрузочная способность - 150% от номинального момента в течение 60 сек.

Характеристики рассмотренных аналогов и разрабатываемого устройства приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики частотных преобразователей

Параметр	«Веспер» EI-8000	«HITACHI» L200	«DELTA» VFD-S	Разрабатываемое изделие
Напряжение питания, В	220	220	220	220
Мощность, кВт	1,5	1,5	1,5	2
Выходная частота, Гц	от 0,1 до 650	от 1 до 400	от 0,1 до 400	от 1 до 99
Защита двигателя от перегрузки по току	да	да	да	да
Защита двигателя от повышенного и пониженного напряжения	да	да	нет	да
Контроллерное управление	да	да	да	да
Возможность дистанционного управления и мониторинга (протокол MODBUS)	да	да	да	нет
Встроенный фильтр ЭМИ	класс А	класс С3	нет	нет
Аналоговые и цифровые входы/выходы для регулирования и дистанционного управления	да	нет	нет	нет
Вход датчика тепловой защиты электродвигателя	нет	да	нет	нет
Функция быстрого запуска	нет	да	нет	нет
Возможность подключения выносного пульта управления	нет	да	нет	нет
Диапазон частот ШИМ, кГц	до 10	до 10	до 10	до 10
Встроенный тормозной ключ	нет	нет	да	да
Автоматический рестарт после кратковременного пропадания питающего напряжения	нет	нет	да	нет
Стоимость, у.е.	195	220	251	75



1.5 Анализ элементной базы

В современных устройствах необходимо стараться применять элементную базу, характеризующуюся высокими функциональными возможностями, гибкостью использования, высокой надежностью и массогабаритными показателями. По возможности следует использовать технологию поверхностного монтажа, так как она способствует уменьшению габаритов печатных плат, а также упрощает технологию производства.Для того чтобы у разрабатываемого изделия была более высокая технологичность число различных типоразмеров электрорадиоэлементов должно быть минимальным. На основании описанной в п.1.1 схемы электрической принципиальной, выбрана элементная база частотного преобразователя. Выбор всех элементов осуществлялся по следующим критериям: соответствие заданному рабочему диапазону температур; устойчивость к заданным внешним механическим воздействиям; выбранные элементы не ухудшают электрические характеристики схемы. Также при выборе элементов осуществлялся анализ экономической целесообразности использования данного элемента в устройстве.

Конденсаторы С1 и С2 - GRM1885C1H330J имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ - NPO - используются в прецизионных цепях, в рабочем диапазоне емкость практически не зависит от температуры, времени, напряжения и частоты; рабочее напряжение - 50 В; емкость - 33 пФ; точность - 5%; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 125°С.

Конденсаторы C3, C7, С8, C10 и С12 - GRM188R71H104K имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ - X7R - стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью; номинальное рабочее напряжение - 50 В; емкость - 0,1 мкФ; точность 10%; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 125°С.

Конденсатор C5 - GRM186R71H102C имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ - X7R - стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью; номинальное рабочее напряжение - 50 В; емкость - 1 нФ; точность 0,25%; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 125°С.

Рисунок 1.1 - Конденсаторы типоразмера 0603

Конденсаторы С4 и С6 - электролитические конденсаторы 038RSM6,3Ч11, конденсаторы С9, С11 и С13 - электролитические конденсаторы 038RSM5Ч7 фирмы «BC components». Данный тип конденсаторов отличается меньшими габаритными размерами. Основные технические характеристики данных конденсаторов: точность - 20%; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,14.

Конденсатор С14 - электролитический конденсатор Jamicon 22Ч40, конденсатор С15 - электролитический конденсатор Jamicon 10Ч14 фирмы «Jamicon». Данный тип конденсаторов является аналогом отечественных конденсаторов К-50. Основные технические характеристики данных конденсаторов: диапазон рабочих температур - от минус 25 до плюс 85°С; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,15 [5].

На рисунке 1.2 показан внешний вид конденсаторов С4, С6, С9, С13 -С15 а в таблице 1.2 приведены их размеры.

Рисунок 1.2 - Внешний вид конденсаторов С4, С6, С9, С13 - С15

Таблица 1.2 - Размеры конденсаторов С4, С6, С9, C11, С13 - С15

Конденсатор	D, мм	L, мм	d, мм	p, мм
C4,С6	6,3	11	0,5	2,5
С9, С11, С13	5	7	0,5	2
С14	22	40	0,8	10
С15	10	14	0,6	5

Конденсатор С16 - конденсатор типа К78-2 вариант исполнения 2 (рисунок 1.3) предназначен для работы в цепях постоянного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Основные характеристики данного конденсатора: диапазон рабочих температур - от минус 60 до плюс 85°С; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,001; максимальная относительная влажность окружающего воздуха 93% на протяжении 21 суток [6].

Рисунок 1.3 - Внешний вид конденсатора С16

Микросхемы DA1 и DA2 - стабилизаторы напряжения на 5В (7805) и на 15В (7815) соответственно (рисунок 1.4). Основные технические характеристики DA1: выходное напряжение - 5 В; выходной ток - 1,5 А; входное напряжение - до 15В; максимальная рассеиваемая мощность -1 Вт; диапазон рабочих температур - от минус 65 до плюс 120°С. Основные технические характеристики DA2: выходное напряжение - 15 В; выходной ток - 1,5 А; входное напряжение - до 30 В; максимальная рассеиваемая мощность - 1 Вт; диапазон рабочих температур - от минус 65 до плюс 120°С.

Рисунок 1.4 - Размеры стабилизаторов напряжения 7805 и 7815

Микросхема DD1 - КР514ИД1 - двоично-семисигментный дешифратор (рисунок 1.5). Она выполнена в корпусе DIP14. Рабочая температура окружающей среды - от минус 20 до плюс 85°С [5].

Рисунок 1.5 - Корпус микросхемы КР514ИД1

DD2 - микроконтроллер PIC16F628 фирмы «Microchip» (рисунок 1.6). Выполнен в корпусе SO18, тактовая частота - 20 МГц, рабочая температура окружающей среды - от минус 40 до плюс 85°С [7].

Рисунок 1.6 - Корпус микросхемы PIC16F628

DD3 - драйвер трехфазного моста IR2130S фирмы «International Rectifier» (рисунок 1.7). Обладает следующими свойствами: выходные каналы разработаны для нагруженного функционирования; работает в приложениях с выходным напряжением до +600В; управляющее напряжение на затворах от 10 до 20 В; блокировка всех каналов при снижении напряжения; выключение всех 6 драйверов при токовой перегрузке; выходы работают в противофазе с входами; защита от сквозных токов; максимальное; напряжение смещения V_OFFSET 600В; выходной ток к.з IO± 200 мА/420 мА; напряжение питания V_OUT 10 - 20В; рабочая температура окружающей среды - от минус 55 до плюс 120°С. Тип корпуса - SO28.

Рисунок 1.7 - Корпус микросхемы IR2130S

FU1 - предохранитель плавкий быстродействующий ВП2Б-1В(10/250) (рисунок 1.8 а). Рабочее напряжение - до 250В; рабочий ток - до 10А; материал корпуса - керамика; диапазон рабочих температур - от минус 60 до плюс 100°С. Предохранитель устанавливается в клипсы для предохранителей К234211 (рисунок 1.8 б).

а) б)

Рисунок 1.8 - а) Предохранитель плавкий быстродействующий ВП2Б-1В(10/250); б) Клипсы для предохранителей для установки на плату

HG1 и HG2 - семисегментные светоизлучающие индикаторы АЛС324А (рисунок 1.9). Основные технические характеристики: цвет свечения - красный; высота знака - 7 мм; длина волны - от 655 до 670 нм; сила света - 0,15 мКд; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С.

Рисунок 1.9 - Индикатор АЛС324А

HL1 - светодиод L-132XIT фирмы «Kingbright» (рисунок 1.10). Цвет свечения - красный; длина волны - 625 нм; максимальная сила света - 70мКд; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С.

Рисунок 1.10 - Светодиод L-132XIT

К1 - реле RT3 фирмы «Tyco Electronocs» (рисунок 1.11). Номинальное напряжение обмотки - 5 В; максимальный коммутируемый ток 16 А; максимальное коммутируемое напряжение - 400 В; номинальный потребляемый ток 80 мА; диапазон рабочих температур - от минус 20 до плюс 100°С.

Рисунок 1.11 - Реле RT3

В качестве резисторов R1-R11, R13, R15-R23 выбраны толстопленочные чип резисторы типа РН1 - 12, (производство фирмы «muRata») которые предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов для поверхностного монтажа. Приведем их основные технические характеристики: номинальная мощность - 0,125 Вт; типоразмер - 0805; точность - 5%; рабочее напряжение - до 200 В; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 125°С. На рисунке 1.12 изображен резистор типа РН1 - 12.

Рисунок 1.12 - Внешний вид резистора РН1 - 12

Резисторы R14, R24 и R25 - резисторы серии SQR фирмы «muRata» (рисунок 1.13). Обладают повышенной жаростойкостью, рассчитаны на диапазон мощностей от 2 до 20 Вт, точность - 5%. Геометрические размеры: для резисторов мощностью 5 Вт - L = 22 мм, W = 10 мм, T = 9 мм, d = 0,8 мм; для резисторов мощностью 10 Вт - L = 48 мм, W = 10 мм, T = 9 мм, d = 0,8 мм.

Рисунок 1.13 - Внешний вид резисторов SOR-5 и SQR-10

Резистор R12 - подстроечный резистор PVZ3A фирмы «muRata» (рисунок 1.14). Основные характеристики: тип проводника - углерод; номинальная мощность - 0,1 Вт; рабочее напряжение - 50 В; угол поворота движка - 230°; диапазон рабочих температур - от минус 25 до плюс 85°С.

Рисунок 1.14 - Внешний вид резистора PVZ3A

SA1-SA4 - тактовые переключатели TS-A1PS-130 фирмы «Deca SwithLab» (рисунок 1.15). Материал корпуса - термопластик. Электрические характеристики: рабочий ток - 50 мА; рабочее напряжение - 12 В. Диапазон рабочих температур - от минус 25 до плюс 70°С.

Рисунок 1.15 - Внешний вид кнопки TS-A1PS-130

T1 - сетевой трансформатор HTR 318-1 фирмы «HAHN» мощностью 1,9 Вт (рисунок 1.16). Напряжение вторичной обмотки - 18 В, ток вторичной обмотки - 800 мА. Диапазон рабочих температур - от минус 30 до плюс 100°С [8].

Рисунок 1.16 - Внешний вид сетевого трансформатора HTR 318-1

Диоды VD1-VD5 - выпрямительные диоды SM4001 для поверхностного монтажа фирмы «MIC» (рисунок 1.17). Характеристики: максимальное постоянное обратное напряжение - 50 В; максимальное импульсное обратное напряжение - 60 В; максимальный прямой ток - 1 А; максимальный обратный ток - 5 мкА; максимальное прямое напряжение - 1,1 В; диапазон рабочих температур - от минус 65 до плюс 120°С.

Диоды VD6-VD11 - выпрямительные диоды SM4005 для поверхностного монтажа фирмы «MIC» (рисунок 1.17). Характеристики: максимальное постоянное обратное напряжение - 600 В; максимальное импульсное обратное напряжение - 720 В; максимальный прямой ток - 1 А; максимальный обратный ток - 5 мкА; максимальное прямое напряжение - 1,1 В; диапазон рабочих температур - от минус 65 до плюс 120°С.

Рисунок 1.17 - Внешний вид выпрямительных диодов SM4001 и SM4005

VD16-VD19 - диодный мост для поверхностного монтажа B05S фирмы «MIC» (рисунок 1.18). Характеристики: максимальное постоянное обратное напряжение - 50 В; максимальное импульсное обратное напряжение - 60 В; максимальный прямой ток - 0,5 А; максимальный обратный ток - 5 мкА; максимальное прямое напряжение 1,1 В; диапазон рабочих температур - от минус 65 до плюс 120°С.

Рисунок 1.18 - Внешний вид диодного моста B05S

VD12-VD15 - диодный мост KBPC1004 фирмы «MIC» (рисунок 1.19). Характеристики: максимальное постоянное обратное напряжение - 400 В; максимальное импульсное обратное напряжение - 480 В; максимальный прямой ток - 10 А; максимальный обратный ток - 10 мкА; максимальное прямое напряжение 1,1 В; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 120°С.

Рисунок 1.19 - Внешний вид диодного моста KBPC1004

VT1-VT4 - транзисторы для поверхностного монтажа PC847B фирмы «Infineon Technologies AG» (рисунок 1.20). Характеристики: максимальное напряжение коллектор-база при заданном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера (Uкбо макс) - 50 В; максимальное напряжение коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и разомкнутой цепи базы (Uкэо макс) - 45 В; максимально допустимый ток коллектора ( Iк макс.) - 0,1А; статический коэффициент передачи тока h21э - 200; граничная частота коэффициента передачи тока fгр - 250 МГц; максимальная рассеиваемая мощность - 0,33 Вт; диапазон рабочих температур - от минус 30 до плюс 120°С.

Рисунок 1.20 - Внешний вид транзистора PC847B

VT5-VT10 - IGBT транзисторы IRG4BC20KD фирмы «International Rectifier» (рисунок 1.21). Характеристики: напряжение коллектор-эмиттер - 600 В; ток коллектора - 16 А (при Т = 25°С), 9 А (при Т = 100°С); максимальный импульсный ток коллектора - 32 А; напряжение затвор-эмиттер - 20 В; рассеиваемая мощность - 15 Вт; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 150°С.

Рисунок 1.21 - Внешний вид транзистора IRG4BC20KD

XP - штыревой разъем типа IDC-14 фирмы «Tyco Electronics» (рисунок 1.22). Основные характеристики: шаг между контактами - 2,54 мм; количество выводов - 14; номинальный ток - 1 А; сопротивление изоляции - не менее 500 МОм (при 500 В постоянного тока); диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 140°С.

Рисунок 1.22 - Внешний вид штыревого разъема типа IDC-14

XT1 - клемная колодка X977 на 6 контактов фирмы «Tyco Electronics» (рисунок 1.23). Шаг выводов - 10 мм; сопротивление изоляции - 1000 МОм; максимальное сечение зажимаемого провода - 2,5 мм²; рабочий ток - 10 А; рабочее напряжение - 400 В; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 105°С.

Рисунок 1.23 - Внешний вид клемной колодки X977

ZQ1 - кварцевый резонатор HC-49S фирмы «MIC» (рисунок 1.24) рассчитан на рабочую частоту 20 МГц; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С. [5].

Рисунок 1.24 - Кварцевый резонатор HC-49S

Таблица 1.3 - Сводная тблица элементов

Наименование элемента	Позиционное обозначение	Количество	Конструктивные параметры	Допустимые условия эксплуатации
			масса, г	S, м2Ч10-6 (V, м3Ч10-9)	л0, 1/чЧ10-6	Т, °С	вибрации	линейные ускор., g	ударные перегр., g
							f, Гц	перег-рузка, g
Конденсатор	С1, С2, С3, С5, С7, С8, С10, С12	8	0,3	1,28 (1)	0,05	-55… 125	600	10	25	20
Конденсатор	С4, С6	2	3	31,2 (343)	0,55	-40… 85	600	10	25	20
Конденсатор	С9, С11, С13	3	2	19,6 (137)	0,55	-40… 85	600	10	25	20
Конденсатор	С14	1	25	380 (15200)	0,55	-25… 85	600	10	25	20
Конденсатор	С15	1	7	78,5 (1100)	0,55	-25… 85	600	10	25	20
Конденсатор	С16	1	20	480 (12000)	0,01	-60… 85	600	10	25	20
Стабилизатор напряжения	DA1, DA2	2	5	47 (893)	0,45	-65… 120	600	7,5	25	75
Микросхема	DD1	1	8	152 (760)	0,6	-20… 85	600	7,5	25	75
Микросхема	DD2	1	3	87 (218)	0,6	-40… 85	600	7,5	25	75
Микросхема	DD3	1	4	138 (345)	0,6	-55… 120	600	7,5	25	75
Предохранитель (держатель)	FU1	1	5	120 (1224)	5,4	-60… 100	600	7,5	25	75
Индикатор сегментный	HG1, HG2	2	10	200 (840)	3	-40… 85	600	7,5	25	75
Светодиод	HL1	1	1	7 (36)	0,7	-40… 85	600	7,5	25	75
Реле	K1	1	15	368 (5777)	0,6	-20… 100	600	7,5	25	75
Резистор	R1-R11, R13, R15-R23	21	0,3	2,5 (1,25)	0,05	-55… 125	600	15	25	75
Резистор	R14, R25	2	15	480 (4320)	0,8	-55… 150	600	15	25	75
Резистор	R24	1	7	220 (1980)	0,4	-55… 150	600	15	25	75
Резистор	R12	1	3	11 (20)	0,5	-25… 85	600	15	25	75
Наименование элемента	Позиционное обозначение	Количество	Конструктивные параметры	Допустимые условия эксплуатации
			масса, г	S, м2Ч10-6 (V, м3Ч10-9)	л0, 1/чЧ10-6	Т, °С	вибрации	линейные ускорения.,g	ударные перегрузки., g
							f, Гц	перег-рузка, g
Кнопка	SA1-SA4	4	3	36 (220)	0,3	-25… 70	600	7,5	25	75
Трансформатор	T1	1	40	894 (21456)	0,9	-30… 100	600	7,5	25	75
Диод	VD1-VD11	11	1,5	14 (38)	0,2	-65… 120	600	7,5	25	75
Диод	VD12-VD15	1	3	21 (62)	0,4	-30… 120	600	7,5	25	75
Диод	VD16-VD19	1	9	384 (2880)	0,4	-55… 120	600	7,5	25	75
Транзистор	VT1-VT4	4	0,8	4,2 (4,2)	0,4	-30… 120	600	7,5	25	75
Транзистор	VT5-VT10	6	5	47 (893)	0,6	-55… 150	600	7,5	25	75
Резонатор	ZQ1	1	3	51,7 (200)	0,37	-40… 85	600	10	25	20
Разъем	XP1	2	10	231 (2100)	0,2	-55… 140	600	15	25	20
Колодка клемная	XТ1	1	20	1096 (10960)	0,2	-40… 105	600	15	25	20
Итого		83	335	7085 (98332)

2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

2.1 Обоснование и выбор материалов

В качестве ос-нований для печатных плат используется диэлектрик или покрытый диэлектри-ком металл, а для гибких печатных кабелей -- диэлектрик. Для выполнения пе-чатных проводников диэлектрик часто покрыт медной фольгой толщиной от 20 до 50 мкм либо медной или никелевой фольгой толщиной от 5 до 10 мкм. В качестве основания печатных плат используют керамику, металлические материалы (сталь, алюминий, титан, медь). Основные марки диэлектриков приведены в таблице 2.1 [9].

Таблица 2.1 - Марки некоторых отечественных диэлектриков

Марка	Материал	Толщина материала, мм	Толщина фольги, мкм
НФД-180-1	Диэлектрик низкочастотный фольгированный	0,8-3,0	50
СФ-1, СФ-2	Стеклотекстолит фольгированный	0,25-2,0	35 и 50
ФДТ-1, ФДТ-2	Диэлектрик фольгированный тонкий	0,5	50
ФДМ-1, ФДМ-2	Диэлектрик фольгированный для многослойного печатного монтажа	0,2 и 0,25	35
ФДМЭ-1	Диэлектрик фольгированный для микроэлектроники	0,1
ОТСФ-1, ОТСФ-2	Стеклотекстолит фольгированный особотонкий	0,15 и 0,20	50
ФДМТ-1,ФДМТ-2	Фольгированный травящийся диэлектрик для многослойного печатного монтажа	0,1	35
ФТС-1, ФТС-2	Стеклотекстолит фольгированный травящийся	0,08 и 0,15	20-35
СТФ-1, СТФ-2	Стеклотекстолит теплостойкий фольгированный	0,13; 0,15; 0,20; 0,25	35
СПТ-3	Стеклоткань прокладочная травящаяся	0,025	-
СПТ-3Э	Стеклоткань, пропитанная лаком ЭИФ	0,06-0,12

Материалом для печатной платы узла А1 выбран фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78. Этот материал выбран не случайно, т.к. по сравнению с большинством других обладает более высокими электрическими и диэлектрическими свойствами, высокой температурой отслаивания фольги, широким диапазоном рабочих температур, низким водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивления, стойкостью к короблению. Для производства печатной платы узла А2 выбран стеклотекстолит СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316-78. Толщина фольги для данной платы должна быть как можно больше, т. к. токи протекающие в печатных проводниках будут достаточно велики.

Таблица 2.2 - Основные свойства стеклотекстолита [9]

Свойство материала	Значениеие
Диапазон рабочих температур	от минус 60°С до плюс 150°С
Удельное объемное сопротивление	1Ч1010 ОмЧм
Водопоглащение	от 0,2% до 0,8%
Тангенс угла диэлектрических потерь	не более 0,03
Прочность сцепления фольги с основанием	10 Н/м

Для обеспечения стабильности электрических, механических и других па-раметров печатных плат необходимо применять конструктивные покрытия, как металлические, так и неметаллические.

Металлические покрытия используются для защиты медных дорожек от коррозии в процессе изготовления печатных плат.

Неметаллические конструктивные покрытия используются для защиты:

а) печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воз-действия припоя при групповых методах пайки;

б) элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами. Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной пла-ты от воздействия припоя используют диэлектрические защитные покрытия на основе эпоксидных смол, сухого пленочного резиста, холодных эмалей, окисных пленок.

В качестве неметаллических покрытий используют лаки и краски. В данном случае используется краска ФСК3-5 зеленая ТУ107-91 БИТС.066629.003ТУ.

В качестве металлических конструктивных покрытий рекомендуется использовать металлы и сплавы, приведенные в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Основные виды конструктивных покрытий

Вид покрытия	Толщина, мкм	Назначение покрытия
Сплав Розе	от 1,5 до 3	Защита от коррозии, обеспечение паяемости
Сплав олово-свинец	от 9 до 15	Защита от коррозии, обеспечение паяемости
Серебряное	от 6 до 12	Улучшение электрической проводимости
Серебро-сурьма	от 6 до 12	Улучшение электрической проводимости и повышение износоустойчивости переключателей и концевых контактов
Золото и его сплавы	от 0,5 до 3	Улучшение электрической проводимости, снижение переходного сопротивления и повышение износоустойчивости
Палладиевое	от 1 до 5	Снижение переходного сопротивления, повышение износоустойчивости контактов и концевых контактов
Никелевое	от 3 до 6	Защита от коррозии, повышение износоустойчивости контактов и концевых контактов
Медное	от 25 до 30	Обеспечение электрических параметров, соединение проводящих слоев

Проанализировав таблицу, исходя из наименьших экономических затрат выбираем в качестве конструктивного металлического покрытия сплав олово-свинец толщиной 10 мкм.

Для пайки электрорадиоэлементов используются припои. Основным компонентов припоев является олово, смешанное в определённых пропорциях с другими компонентами: серебром, свинцом, висмутом и т.п. Поскольку на печатной плате будут присутствовать элементы, чувствительные к перегреву, то необходимо использовать низкотемпературный припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Основные свойства припоя ПОС-61 представлены в таблице 2.4 [9].

Таблица 2.4 - Основные свойства припоя ПОС-61

Свойство материала	Значение
Температура плавления	190 °С
Теплоемкость	50,24 Вт/мк
Плотность	8500 кг/м3
Удельное электрическое сопротивление	0,139Ч10-6 ОмЧм
Относительное удлинение	39%
Предел прочности	46 МПа

Для пайки поверхностно-монтируемых компонентов все чаще используются специальные припойные пасты. Они имеют несколько составляющих: порошок припоя, связующее вещество, органический растворитель и другие добавки. К основным преимуществам припойных паст относятся:

а) возможность точной дозировки припоя на каждое паяное соединение;

б) центрирование компонентов поверхностного монтажа в процессе оплавления за счет сил поверхностного натяжения.

Для пайки поверхностно монтируемых элементов используем паяльную пасту ПЛ-111 АУЭЛ.033.012 ТУ, она отличается относительной дешевизной и стабильностью характеристик [5].

Для изготовления корпусов используют качественные углеродистые стали. Они делятся на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и стали с средним содержанием углерода. В таблице 2.5 приведены характеристики некоторых углеродистых сталей [10].

Таблица 2.5 - Характеристики качественных углеродистых сталей

Сталь	ув , МПа	у0,2, МПа	д, %
Сталь 10	от 330 до 340	от 200 до 210	от 31 до 33
Сталь 40	от 500 до 610	от 300 до 360	от 16 до 21
Сталь 70	от 700 до 820	от 390 до 470	от 12 до 15

В качестве материала корпуса выбрана сталь 10, т. к. она является наиболее дешевой по сравнению с перечисленными марками стали, хорошо поддается холодной штамповке и сварке.

Для изготовления радиаторов используют в основном медь, дюралумины и алюминий. В нашем случае используется алюминий, т. к. этот материал дешевле меди и обладает более высокими прочностными характеристиками по отношению к дуралюминам. Основные характеристики алюминия: температура плавления 600 єС; плотность 2,7 г/см²; алюминий обладает высокой теплопроводностью.

В качестве материала кнопок и опор используется резина общего назначения типа СКС-10. Это наиболее распространенная резина с высокой морозостойкостью, хорошим сопротивлением к старению и хорошо работающая при многократных деформациях [10].

2.2 Обоснование конструкции изделия

К корпусу преобразователя предъявляются высокие требования. Он должен обеспечивать: жесткое закрепление плат; защиту плат и ЭРЭ от внешних климатических, механических и других воздействий; экранирование схемы от внешних электромагнитных излучений и наводок; теплоотвод. Кроме того, корпус должен быть технологичным, экономически выгодным, обеспечивать возможность сборки схемы, контроль, надстройку, ремонт. При выборе материала корпуса необходимо учитывать требования уменьшения массы, снижения стоимости изготовления, соответствия температурных коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и плат, возможность пайки и хорошую теплопроводность.

Корпус выполнен из стального листа марки Ст10 ГОСТ 1577-74 толщиной 1мм. Все детали корпуса изготавливаются методом штамповки и в дальнейшем соединяются сваркой, т. к. эти технологические процессы широко распространены и не требуют значительных капиталовложений. В нем имеются перфорационные отверстия. После проведения всех сварочных работ необходимо наплывы и неровности сварных швов обработать с плавным переходом к основному материалу. Затем следует покрыть корпус грунтовкой ВЛ-023 ГОСТ 12707-77 и эмалью ПФ-115 белой ГОСТ 6465-76. Корпус белого цвета будет меньше поглощать инфракрасное солнечное излучение в условиях работы под воздействием солнечных лучей. Крышка крепиться к корпусу винтами М3Ч6 ГОСТ 17475-80. На крышке имеются отверстия для светодиода, сегментных индикаторов и крепления резиновой прокладки, которая имеет функцию клавиатуры. Надписи на крышке «ПУСК», «СТОП» «+», «-», «Частота» выполняются эмалью ПФ115 черной ГОСТ 6465-76 шрифтом 10-Пр3 СТБ 992-95. Это поспособствует лучшей читаемости символов. Для коммутации прибора с сетью питания и двигателем используется клемная колодка, поэтому в нижней части корпуса предусмотрен вырез для ввода кабелей.

К основанию корпуса винтами М3Ч35 ГОСТ 17475-80 прикручиваются резиновые опоры. Их использование увеличивает устойчивость корпуса и благоприятствует вентиляции. Для крепления плат используются стойки высотой 25 мм и 110,5 мм диаметром 8 мм, они изготавливаются из стальных прутков. Узел А2 крепится тремя винтами, причем 2 винта М3Ч16 ГОСТ 17475-80 вкручиваются в стойки и фиксируют клемник.

Расположение корпуса - горизонтальное.

Т. к. в устройстве используется 6 мощных IGBT транзисторов, для их охлаждения необходим радиатор. Он монтируется внутри корпуса и имеет в своей конструкции паз по всей длине для крепления печатной платы. Транзисторы с нанесенной теплопроводной пастой КТП8 прикручиваются к радиатору и прижимаются скобами для улучшения теплоотдачи. Способ охлаждения в корпусе -- естественный воздушный.

Размеры корпуса - 250х160х120 мм. Такие габариты обусловлены большим выделением тепла в корпусе и непосредственно размерами радиатора.

В применении устройств амортизации нет необходимости, так как не предполагается, что разрабатываемое устройство будет подвергаться значительным механическим нагрузкам во время эксплуатации.

Для коммутации узла А1 с узлом А2 используется шлейф 888-03-0014 фирмы «Molex», количество жил в шлейфе - 14. Он подключается в разъемы на платах перед сборкой корпуса и крышки.

Расположение плат - горизонтальное.

Материл, из которого изготавливается печатная плата узла А1- стеклотекстолит, марка СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316 - 78, узла А2 - стеклотекстолит, марка СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316 - 78. Для узла А2 выбран стеклотекстолит с толщиной металлического покрытия 50 мкм, т. к. в этом узле будут протекать большие токи, а следовательно при более тонком слое меди расчетная ширина дорожек будет большей. Метод изготовления печатных плат - комбинированный позитивный, так как необходимы металлизированные отверстия. Использование этого метода дает возможность выполнить печатный монтаж с высокой разрешающей способностью. Рисунок формируется путем фотолитографии.

Использование SMD элементов для поверхностного монтажа снижает площадь печатных плат. Пайка установленных на плате SMD элементов ведется методом оплавления в печи, остальных (компоненты, монтируемые в отверстия) - волной припоя и индивидуальной пайкой паяльником. Все элементы узла А2 устанавливаются с одной стороны, а у узла А1 разъем смонтирован с противоположной стороны от остальных элементов. Это способствует беспрепятственному доступу к разъемам при подключении шлейфа. Травление плат осуществляется согласно чертежам ПП. После травления плат необходимо провести их лужение припоем ПОС - 61 ГОСТ 21931 - 76. Затем производится покрытие плат маскирующей краской зеленого цвета ФСК3-5 ТУ107-91 БИТС.066629.003ТУ для улучшения коррозионной стойкости элементов монтажа.

3 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

3.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

Исходные данные для расчета:

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

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

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

- суммарный объем всех ЭРИ (таблица 1.4), ?V_ЭРИ = 98332 мм³;

- суммарная масса всех ЭРИ (таблица 1.4), ?М_ЭРИ = 335 г;

Находим общую площадь узла А1:

мм², (3.1)

мм².

Согласно ГОСТ 10317-79 принимаем размеры платы 50Ч40 мм.

Находим общую площадь узла А2 по формуле (3.1):

мм².

Согласно ГОСТ 10317-79 принимаем размеры платы 160Ч80 мм.

Коэффициент заполнения устройства по объему:

, (3.2)

где - объем проектируемого устройства, мм³ (габаритные размеры корпуса 250160120 мм³ определены в п. 2 Разработка конструкции изделия);

.

Объемная плотность устройства:

, (3.3)

(г/мм³).

3.2 Расчет параметров электрических соединений

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

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

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

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

Исходные данные для расчета печатного монтажа узла А1:

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

1. I_max -- максимальный постоянный ток, протекающий в провод-никах (определяется из анализа электрической схемы), I_max = 0,1 A;

2. Толщина фольги, t = 35 мкм;

3. Напряжение источника питания, U_ип = 5 В;

4. Длина проводника, l = 0,02 м;

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

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

7. Способ изготовления печатного рисунка: комбинированный позитивный.

Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводни-ка по постоянному току для цепей питания и заземления:

, (3.4)

где b_min1 - минимальная ширина печатного проводника, мм;

j_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

t - толщина проводника, мм;

мм.

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

, (3.5)

где с -- удельное объемное сопротивление [3], Ом·мм²/м;

l -- длина проводника, м;

U_доп-- допустимое падение напряжения, определя-ется из анализа электрической схемы. Допустимое падение напря-жения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем.

мм.

Определяем ширину b_min3, проводников при изготовлении комбинированным позитивным методом, мм:

, (3.6)

где b_1min -- минимальная эффективная ширина проводника b_1min=0,15 мм для плат 4-го класса точности.

мм.

Принимаем b_min = max{b_min1, b_min2, b_min3} = 0,23 мм

Максимальная ширина проводников, мм:

(3.7)

мм.

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

, (3.8)

где d_э -- максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

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

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

d1 = 0,7+0,1+0,1 = 0,9 мм;

d2 = 0,8+0,1+0,1 = 1 мм;

d3 = 0,2+0,1+0,1 = 0,4 мм;

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

Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, мм:

, (3.9)

где t -- толщина фольги, мм;

D_1min-- минимальный эффективный диаметр площадки, мм:

, (3.10)

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

дd и др -- допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [3], дd=0,05 мм и др=0,15 мм;

d_max -- максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

, (3.11)

где Дd -- допуск на отверстие, мм, [3], (d?1, Дd=0,05мм; d?1, d=0,1мм).

Для 1-й группы:

мм;

мм;

мм.

Для 2-й группы:

мм;

мм;

мм.

Для 3-й группы:

мм;

мм;

мм.

Максимальный диаметр контактной площадки D_max, мм:

, (3.12)

Для 1-й группы:

мм.

Для 2-й группы:

мм.

Для 3-й группы:

мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм:

, (3.13)

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

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

мм,

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:

, (3.14)

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками, мм:

, (3.15)

мм.

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

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

Исходные данные для расчета печатного монтажа узла А2:

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

1. I_max -- максимальный постоянный ток, протекающий в провод-никах (определяется из анализа электрической схемы), I_max = 0,7 A - для цепей управления; I_max = 10 А - для силовых цепей питания; I_max = 3,3 А - для цепей силовых транзисторов;

2. Толщина фольги, t = 50 мкм;

3. Напряжение источника питания, U_ип = 20 В - для цепей управления; U_ип = 380 В - для силовых цепей;

4. Длина проводника, l = 0,1 м;

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

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

7. Способ изготовления печатного рисунка: комбинированный позитивный;

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