К преимуществам комбинированного метода можно отнести:

объединяет в себе преимущества химического (субтрактивного) и электрохимического (аддитивного) методов;

существенным образом повышается надежность паянных соединений за счет того, что припой при соответствующем выборе диаметра заполняет все отверстие, при этом достигается электрическая и механическая стабильность при малом диаметре контактной площадки;

прочность на разрыв припаянных выводов выше прочности самых выводов.

7. Расчеты конструкции

7.1 Конструкторско-технологический расчет печатной платы [4]

7.1.1 Определение минимальной ширины печатного проводника по постоянному току

Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току равна:

(7.1.1.1)

j_доп = 48 A/мм² - допустимая плотность тока для печатных плат изготовленных комбинированным позитивным методом

t_п - толщина проводника:

t =h_ф + h_хм + h_гм (7.1.1.2)

h_ф = 0.035 мм

h_{хм -} 0,055 мм толщина химически осаждённой меди

h_{гм -} 0,0065 мм толщина гальванически осаждённой меди

Исходя из формулы (7.1.1.2):

t_п = 0,035+0,055+0,0065=0,0965 мм.

I_max - максимальный постоянный ток в проводнике определяем из анализа схемы:

В нашей схеме основными потребителями являются:

микросхема LM324, 3 мА., резисторы R1-R27, ≈20 мА.

=3 + 20 = 23 мА.

= = 0,005 мм.

Вычисленная ширина меньше минимальной ширины проводника 4-го класса точности (0,15 мм). Это означает, что можно сделать минимальную ширину проводника, которая будет соответствовать 4-му классу точности.

Для дальнейших расчетов примем минимальную ширину проводника такой, которая будет соответствовать 4-му классу точности, т.е.0,15 мм.

7.1.2 Определение минимальной ширины печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нём

(7.1.2.1)

где - объемное удельное сопротивление фольги для данного метода изготовления проводника, = 0,0175 Ом × мм^2/м;

l_{пр -} самый длинный проводник, l_пр = 0,1 м; t _п = 0,0965 мм; I_max = 23 мA;

U_доп - допустимое напряжение определяем по формуле:

U_доп = 5% Е_пит (7.1.2.2)

U_доп = 0,05·9В = 0,45 В;

мм.

Минимальная ширина проводника удовлетворяет требованиям 4-го класса точности.

7.1.3 Определение номинального значения монтажных отверстий

(7.1.3.1)

где d_вэ - диаметр вывода элемента, d_вэ = 0.5 мм.

∆d_мо - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, ∆d_мо =0,1 мм.

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода, r = 0,2 мм.

d = 0,5+0,1+0,2= 0,8 мм.

7.1.4 Определение диаметра контактной площадки

Определим диаметр контактной площадки:

(7.1.4.1)

D_min_₁ - минимальный эффективный диаметр контактной площадки.

0,03 - учитывает метод изготовления.

, (7.1.4.2)

где d_max - максимальный диаметр просверленного отверстия;

b_по - ширина пояска вокруг контактной площадки. [b_по = 0,05мм, для 4-го класса точности];

- погрешность расположения центра отверстия относительно узла координатной сетки. [ =0,07мм];

- погрешность расположения центра контактной площадки относительно узла координатной сетки. [ =0,05мм].

d_max= (7.1.4.3)

где d - номинальный диаметр монтажного отверстия;

- допуск на диаметр отверстия. [ =0,05мм]

d_max=0,8 мм + 0,05 мм + 0,15 мм=1мм.

Тогда, исходя из формулы 7.1.4.2 получим:

D_min_₁=2 (0,05мм+0,5мм+0,07мм+0,05мм) =1,34≈1,3мм

Зная D_min__1, воспользуемся формулой 7.1.4.1:

D_min= 1,3+ 1,5∙0,035+0,03 = 1,38мм.

D_max= D_min+0,02 (7.1.4.4)

D_max=1,4мм.

7.1.5 Определение ширины проводников

Минимальная ширина проводников:

(7.1.5.1)

где b_1min=0,15 мм, для печатных плат 4 класса точности:

b_min=0,2325 мм;

Максимальная ширина проводников:

b_max=0,2345 мм;

Для удобства берём ширину b=0,25 мм.

7.1.6 Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

(7.1.6.1.1)

где L₀ - расстояние между центрами рассматриваемых элементов (1,25мм).

_l - допуск на расположение проводников, _l=0,05 мм;

D_max, δ_p, b_max - см. пункт 7.1.4 и 7.1.5.

S_1min = 0,325 мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

(7.1.6.2.1)

S_1min = 0,9 мм

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

(7.1.6.3.1)

- расстояние между центрами соседних контактных площадок (2,5мм).

S_1min = 1 мм.

7.2 Электрический расчет печатной платы

7.2.1 Расчёт предельного падения напряжения на проводниках

(7.2.1.1)

где: - удельное объемное сопротивление, для комбинированного позитивного метода = 0,0175 Ом∙мм²/м;

l - максимальная длинна печатного проводника, l=0,1м.

t - толщина проводника, t=0,0965мм.

I_{max -} максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках. I_max=23 мA

b - ширина проводника, b=0,25мм.

Тогда:

Рассчитанное падение напряжения не превышает 5% от напряжения питания.

7.2.2 Расчёт мощности потерь

(7.2.2.1)

где: f = 1 Гц, так как напряжение питания является постоянной величиной;

U - напряжение питания схемы.

tg = 0,002 - тангенс диэлектрических потерь для стеклотекстолита СФ-1-35

С - ёмкость ПП определяется по формуле:

(7.2.2.2)

где: _п = 5,5 - диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита;

S_м = 150 мм² - суммарная площадь печатных проводников;

H =1,5 мм - толщина платы;

С=0,009∙5,5∙150/1,5=4,95 пФ.

Определим мощность потеть используя формулу 7.2.2.1:

P_n=23,144,95∙10^-69²0,002= 4,95 мкВт.

7.2.3 Расчёт паразитной поверхностной ёмкости между двумя проводниками

(7.2.3.1)

где: S = 1 мм - расстояние между двумя параллельными проводниками;

l_п = 12 мм - длина взаимного перекрытия двух параллельных проводников;

h = 0,0965 мм - толщина печатного проводника;

_Л = 4 - диэлектрическая проницаемость лака УР-231

= (_Л+п) /2

_.

7.2.4 Расчёт индуктивности печатных проводников

Определим паразитную индуктивность шины питание и шины земля:

(7.2.4.1)

где: l_n = 100 мм - длина максимального участка шины земля;

l´_n = 45 мм - длина максимального участка шины земля

h = 0,0965мм - толщина проводника шины питания;

b_n = 0,5 мм - ширина проводника шины питания;

_{LШЗ = 2126 (2,3lg + 0,2235 +0,5) 10-3 = 1,41мкГн}

_{LШП= 2126 (2,3lg + 0,2235 +0,5) 10-3 = 1,21 мкГн}

Составленная схема печатных проводников удовлетворяет заданным условиям, так как полученные расчётные значения наиболее важных электрических параметров не превышает допустимых значений для данного типа печатной платы.

7.3 Расчет на вибропрочность

Определим вибропрочность нашей печатной платы из стеклотекстолита.

Параметры для расчета:

a/b/=60/35/1,5 мм

где a - длинна платы

b - ширина платы

- толщина платы.

Параметры стеклотекстолита:

Предел текучести: _т=105 МПа

Модуль Юнга: Е=3,2*10¹⁰ Па

Коэффициент Пуассона: =0,22

Показатель затухания: =0,06

Удельный вес: =2050 кг/м³

Плотность: =2,05*10⁴ Н/м³

Коэффициент запаса прочности: к=2

При установке наша плата будет закреплена согласно варианту “опирание по четырём сторонам”. Тогда , коэффициент учитывающий способ закрепления при расчете собственной резонансной частоты, будет равен:

(7.3.1)

Приступим к расчету:

1. Определим массу всех элементов (m_э) и массу печатной платы (m_п)

(7.3.2)

2. Определим коэффициент влияния (он учитывает массу ЭРЭ на печатной плате) пользуясь следующим выражением:

(7.3.3)

где m_Э - суммарная масса всех ЭРЭ на печатной плате, m_Э=12 г.

m_п - масса платы, m_п= 6,32г.

Рассчитаем К_В по формуле (7.3.3):

3. Далее следует определить собственную частоту колебаний печатной платы:

(7.3.4)

(7.3.5)

где D - цилиндрическая жесткость, определяется по формуле:

Е - модуль Юнга (Е=3.02*10¹⁰ Па);

- коэффициент Пуассона (=0.22).

Подставим эти значения в формулу (7.3.5):

Н∙м;

Определим , считая, что плата опирается по четырем сторонам.

Воспользуемся формулой (7.3.1)

;

=*g, где g - ускорение свободного падения (g=9.81).

Теперь подставим все найденные значения в выражение (7.3.4) и найдем собственную частоту колебания печатной платы:

Гц.

Практика показала, что если f_c>250 Гц, то конструкция абсолютно жесткая. Делаем вывод, что устройство не нуждается в дополнительных опорах, амортизаторах или других элементах, необходимых для уменьшения перегрузок при действии вибрации.

7.4 Тепловой расчет ПП

Компонентом с максимальной выделяющейся тепловой мощностью является транзистор VT2. На данном элементе происходит падение напряжения на 4,8В и согласно суммарному потреблению протекает ток около 12 мА.

Определим выделяемую мощность:

Вт (7.4.1)

Для расчёта зададимся температурой окружающей 50^оС. По документации допустимой температурой транзистора является Т_доп.=150^оС, сопротивление кристалл/корпус R_{пп./кор.}=25^оС/Вт и сопротивление корпус/среда R_{кор./ср.}=160^оС/Вт. Если взять что максимальная расчётная мощность рассеивания 0,057 Вт, то расчётная температура кристалла:

Данная температура является допустимой для работы транзистора. Согласно документации производителя, при Т_окр.ср.=50^оС транзистор способен рассеять до 400 мВт. Приходим к выводу о нецелесообразности применения радиатора.

7.5 Расчет показателей надежности

Одна из важнейших задач конструирования - разработка РЭА, ЭВМ и систем, обладающих высокой экономической и технической эффективностью, которая в значительной степени определяется их надежностью.

Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-83). Если ЭВА отвечает всем эксплуатационным требованиям, то она считается надежной. Выделяют два основных вида надежности: техническая - это надежность на соответствие ТУ и определяется в заводских условиях для всех изделий; эксплуатационная - надежность данного элемента в условиях эксплуатации с учетом режимов работы, местных условий и квалификации обслуживающего персонала. Основными свойствами этого типа надежности являются безотказность, ремонтопригодность и долговечность.

Основными показателями и характеристиками надежности являются:

P (t) - вероятность безотказной работы;

λ (t) - интенсивность отказов;

Т_{ср. -} среднее время наработки до первого отказа;