Конструкторско-технологическое проектирование ЭВМ

Содержание

Введение

1. Обоснование общих конструктивно-технологических характеристик изделия

1.1  Описание работы устройства

1.2  Выбор типа и технологии изготовления

1.3  Выбор электрических соединителей

1.4  Расчет элементов печатного рисунка печатной платы

1.5  Конструктивные характеристики ЭРЭ печатного узла

2. Расчет электрических характеристик печатного узла

2.1 Расчет потребляемой электрической мощности

2.2.Расчет взаимной емкости и индуктивности печатных проводников

3. Тепловой расчет печатного узла

3.1 Определение размеров нагретой зоны

3.2 Расчет средней температуры поверхности нагретой зоны

4. Расчет устойчивости печатного узла к механическим воздействиям

4.1 Расчет первой резонансной частоты

4.2 Расчет изгибающего напряжения от линейного ускорения

5. Расчет надежности печатной платы

6. Разработка технологического процесса сборки печатного узла

6.1 Размещение элементов и трассировки печатной платы

6.2 Описание схемы сборки

Заключение

Список литературы

Приложение А. Схема электрическая принципиальная

Приложение Б. Перечень элементов

Приложение В. Трассировка печатной платы, выполненная автоматизированным способом

Приложение Г. Расположение элементов печатного узла, выполненное автоматизированным способом.

Приложение Д. Спецификация

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект по дисциплине «Конструкторско-технологическое проектирование ЭВМ » является итоговой работой по этому курсу.

Конструирование, являясь составной частью процесса разработки ЭВМ, представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимо учет разносторонних требований к конструкции, знание современных технологий схемотехники, сопротивления материалов, теории надежности и других теоретических и прикладных дисциплин. Рост степени интеграции ставит перед разработчиками электронной вычислительной аппаратуры ряд задач, решения которых зависит от полноты учета всех факторов влияющих на процесс обработки и хранения информации. При разработке конструкции ЭВМ требуется решение задачи противодействия климатическим, механическим и  радиационным факторам, обеспечение теплового режима работы, обеспечение помехоустойчивости и нормальных электрических режимов функционирования устройства, обеспечение механической прочности, обеспечение надежной и безопасной работы.

Задачей курсового проекта является разработка конструкции печатной платы и  освоить маршрутную технологию ее производства в соответствии с заданными в техническом задании принципиальными  электрическими параметрами. В процессе выполнения курсового проекта  мы должны закрепить основные теоретические знания по методам изготовления печатных плат.

Принципиальная схема устройства дает представление только о принципе работы устройства, но не о его конструкции. Множество же сложных взаимных связей между элементами, определяемых размещением их в пространстве или на плоскости, показать на принципиальной схеме нельзя. Размещение элементов принято называть компоновкой (от латинского componere – складывать).

Наиболее распространенной ошибкой начинающего радиолюбителя-конструктора является то, что при компоновке элементов он стремится получить как можно меньшие размеры устройства, пренебрегает возможными паразитными взаимосвязями между элементами различных каскадов, располагая элементы без учета принципа их работы. Чтобы не допустить таких ошибок, необходимо прежде всего тщательно рассмотреть возможные варианты компоновки элементов.

Печатные платы служат основой функциональных узлов и несущим элементом их конструкции. При сохранении всех возможностей проводного монтажа применение ПП позволяет: обеспечить значительное повышение плотности межсоединений и возможность миниатюризации аппаратуры; гарантировать стабильную повторяемость параметров изделий одновременно с возможностью повышения электрических нагрузок в цепях; повысить надежность и качество аппаратуры: улучшить вибро- и механическую прочность, условия теплоотдачи и устойчивость соединений к климатическим факторам; осуществить унификацию и стандартизацию функциональных узлов и блоков аппаратуры и обеспечить возможность механизации и автоматизации ее производства.

1.Обоснование общих конструктивно-технологических характеристик изделия

1.1  Описание работ устройства

Предлагаемый блок электронных ключей (см.приложения) соединяют с компьютером двумя парами проводов. По одному из проводов каждой пары (контакты Х3 и Х5) поступает “рабочий” сигнал – “Синхронизация” и “Данные”. Вторые провода (контакты Х4 и Х6) служат общим проводом. Для формирования нужных сигналов можно воспользоваться двумя разрядами любого из имеющихся в компьютере параллельных портов вывода данных.

Сигналы компьютера поступают на входы элементов DD11.1 и DD11.3, которые совместно с элементами DD11.2 и DD11.4 выполняют роль буферных каскадов. В исходном состоянии оба сигнала имеют высокий логический уровень, и пока он на линии “Данные” поддерживается неизменным, на любые изменения сигнала “Синхронизация” автомат не реагирует.

Сигналом начала передачи служит переход уровня на линии “Данные” с высокого уровня на низкий при наличии низкого уровня на линии “Синхронизация”. В этот момент на выходе элемента DD22.2 формируется импульс, устанавливающий низкий уровень на вфходе 12 триггера DD23.2, который в свою очередь, разрешает работу счетчика DD24.

После стартового сигнала по линии “Данные” последовательно передаются восемь разрядов кода адреса блока ключей, каждый из которых сопровождаетя импульсом низкого уровня по линии “Синхронизация”. Наличие адреса позволяет при необходимости подключить к компьютеру параллельно до 255 блоков. аналогичных описываемому, причем каждый будет принимать только предназначенную для него информацию.

Дешифрация адреса происходит так. Подсчитывая импльсы синхронизации, счетчик DD24 поочередно формирует на своих выводах импульсы высокого уровня. Диодная схема ИЛИ формирует из них эталон адресного кода. Для этого на плате блока должны быть оставлены только те из диодов VD2-VD9, что подключены к выходам счетчика, которым в коде адреса соответствует логическая 1. Элемент 12.4 сравнивает эталон с адресом, передаваемым компьютером, и при первом же несовпадении формирует сигнал, изменяющий состояние триггера DD23.2 и возвращающий устройство в исходное состояние.

Если сравнение адресов успешно завершено, высокий уровень устанавливается на выводе 11 счетчика, что изменяет состояние триггера DD23.1, а также запрещает дальнейшую работу самого счетчика и всех каскадов узла сравнения адресов. На входе 1 триггера устанавливается высокий уровень, разрешающий прохождение импульсов синхронизации на регистр сдвига (микросхемы DD12-DD20). С каждым таким импульсом информация, поступающая по линии “Данные”, записывается в регистр и продвигаетс по нему.  После 64 импульсов синхронизации все принятые данные будут записаны в регистр.

Далее компьютер формирует сигнал конца передач: во время действия очередного импульса синхронизации сменяет низкий уровень на линии “Данные” высоким. Этот переход выделяется элементом DD22.1, после чего устройство возвращается в исходное состояние.

Лампами гирлянды непостедственно управляют микросхемы DD1-DD10, каждая из которых содержит по семь транзисторных  ключей. Управляющие входы сдвига подключены к выходам регистра сдвига. Оставшиеся свободными шесть ключей (в микросхеме DD10)-резерв, который может быть использован в случае выхода из строя какого-нибудь из действующих ключей.

Каждый ключ коммутирует нагрузку, потребляющую ток не более 350мА при напряжении до 300В. Резисторы R1-R64 ограничивают броски тока и одновременно защищают ключи от выхода из строя при случайном коротком замыкании нагрузки.

Гирлянда питается от источника постоянного тока напряжением от 9 до 30В. Это же напряжение подается на стабилизатор, собранный на транзисторе VT1 и стабилитроне VD1.  Выходное напряжение стабилизатора используется для питания микросхем.    

1.2 Выбор типа и технологии изготовления

Печатные платы принято классифицировать по материалу основания, по числу слоев и технологическим методам получения проводящего рисунка.(см. рис.1)

Наибольшее применение  получили так называемые субтрактивные и аддитивные процессы. Рассмотрим эти разновидности.

 Субтрактивный процесс (cubtractio-отнимать)  получения проводящего рисунка заключается в избира­тельном удалении участков проводящей фольги, защищенного от растворения задубленным фоторезистом или специальной краской, путем травления.

Аддитивный (additio-прибавлять) процесс -заключается в избирательном осаждении проводящего материала на не фольгированный материал основания на которое предварительно наносится проводящий рисунок, либо методом переноса с временного металлического основания, либо токопроводящей пастой через сетчатый трафарет, либо нанесение проводящего рисунка, контактных площадок химическим способом.

Полуаддитивный процесс предусматривает предварительное нанесение тонкого(вспомогательного) проводящего покрытия, впоследствии удаляемого с пробельных мест.

В соответствии с ГОСТ 23751-86 конструирование печатных плат следует осуществ­лять с учетом следующих методов изготовления:

- химического для ОПП;

- комбинированного позитивного для  ОПП,ДПП;

- электрохимического (полуаддитивног о) для ДПП;

- металлизации сквозных отверстий для МПП,ГПП;

Стандарт ГОСТ 23751—86 устанавливает пять классов точности ПП и гибких печатных кабелей в соответствии со значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции (оснований ПП, проводников, контактных площадок, отверстий.) Область применения классов точности по ГОСТ 23751—86:

1,2 — для ПП с дискретными ИЭТ при малой и средней насыщенности поверхности ПП навесными изделиями.

3 — для ПП с микросборками и микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными ИЭТ при средней и высокой насыщенности поверхности ПП навесными изделиями.

4 — для ПП с микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными изделиями ИЭТ при высокой насыщенности поверхности ПП навесными ИЭТ.Так как в курсовом проекте используется печатная плата с дискретными ИЭТ при малой мощности и средней насыщенности поверхности ПП навесными изделиями, следовательно класс точности 1.

Таким образом, с учетом  всех требований технического задания, анализа используемых ЭРЭ, их электрических и конструктивных характеристик, а также классификаций печатных плат определили, что данная печатная плата, разрабатывае­мая в  курсовом проекте, будет изготавливаться на основе двустороннего фольгированного диэлектрика комбинированным позитивным методом. Для  изделий, эксплуатируемых  при малых механических нагрузках, в качестве основания рекомендуется использовать  гетинакс как более дешевый и легко обрабатываемый материал, но исходя из условий (ДПП, комбинированный позитивный метод) в качестве диэлектрика выбран стеклотекстолит марки СФ-2Г-35-1,5; где толщина фольги hф = 35 мкм, толщина материала диэлектрика hм = 1,5 мм.Таким образом толщина ПП составит: hПП = 1,5035 мм.Плотность печатного монтажа составит: g = 0,33. Для расчетов печатного монтажа hПП принимаем равным 1,5мм.

Комбинированный позитивный метод используется для получения двусторонних печатных плат с металлизированными отверстиями и многослойных печатных плат на основе травящего диэлектрика

Напыление в вакууме

Печатные платы

Основание

По числу слоев

Технологический способ получения слоев

Металлическое

Диалектрическое

Вжигание паст

Селективное осаждение (травление меди)

Травление фольгированного диалектрика (субтрактивный) метод

Хими-

ческий

Комби-

ниро

ваный пози-

тивный

Полу-

аддити

вный

Адди-

тивный

Низкоегле-

родистая

сталь

Стекло-

пластик

Алюминий

(славы)

Железо-

никелевые

сплавы

Титан

(сплавы)

Поли-

амидная

пленка

Фторопласт

Керамика

Картон

Односто-

роннние

Двусто-

ронние

Много-

слойные

Без межслойных

соединений

С межслойными

соединениями

С открытыми

контактными

площадками

Попарное

прессование

С выступающими

выводами

Послойное

наращивание

Рис.1 Классификация печатных плат.

1.3 Выбор электрических соединителей.

В качестве электрических соединителей выбраны соединители: ОНД-КС, D-SUB, DIN 41612. Эти соединители предназначены для печатного и объемного монтажа, рассчитаны для работы в электрических цепях постоянного,  переменного и импульсных  токов. Для данной схемы пригодны условия эксплуатации, нормы электрических параметров соединителей. 

1.4 Расчет элементов печатного рисунка печатной платы.

Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится  с учетом про­изводственных погрешностей рисунка прово­дящих элементов, фотошаблона, базирова­ния, сверления и т. п. Ниже в табличном виде приведены граничные значения основных параметров монтажа для трех классов точности, таблица 1.

Таблица 1. Граничные значения основных параметров печатного монтажа

Условное обозначение параметра *
Номинальные значения основных размеров для класса точности,мм

1

2

3

4

5

t, мм

0,75

0,45

0,25

0,15

0,10

S, мм

0,75

0,45

0,25

0,15

0,10

b, мм

0,30

0,20

0,10

0,05

0,025

g

0,40

0,40

0,33

0,25

0,20

*          t – ширина проводника;

S – расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой или проводником и металлизированным отверстием;

b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки данного отверстия (гарантийный поясок);

g - отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

     Выбранные в соответствии с табл. 1 размеры необходимо согласовать с технологическими возможностями конкретного производства.

Предельные значения технологических параметров конструктивных элементов печатной платы (табл. 2.) получены в результате анализа производственных данных и экспериментальных исследовании точности отдельных операций.

Таблица 2. Предельные значения технологических параметров.

Наименование коэффициента

Обозначения

Величина

Толщина предварительно осажденной меди, мм

 hпм

0,005 – 0,008

Толщина наращенной гальванической меди, мм

 hг

0,050 – 0,060

Толщина металлического резиста, мм

 hр

0,020

Погрешность расположения отверстия относи­тельно координатной сетки, обусловленная точ­ностью сверлильного станка, мм.

do

0,020 – 0,100

Погрешность базирования плат на сверлильном станке, мм

dб

0,010 – 0,030

Погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне контактной площадки, мм

dш

0,020 – 0,080

Погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне проводника, мм

dшt

0,030 – 0,080

Погрешность расположения печатных элементов при экспонировании на слое, мм

dэ

0,010 – 0,030

Погрешность расположения контактной площадки на слое из-за нестабильности его линейных размеров, % от толщины

dм

0 – 0,100

Погрешность расположения базовых отверстий на заготовке, мм

dз

0,010 – 0,030

Погрешность расположения базовых отверстий на фотошаблоне, мм

dп

0,010 – 0,050

Погрешность положения контактной площадки на слое, обусловленная точностью пробивки базовых отверстий, мм

dпр

0,030 – 0,050

Погрешность положения контактной площадки, обусловленная точностью изготовления базовых штырей пресс-формы, мм

dпф

0,020 – 0,050

Погрешность диаметра отверстия после сверления, мм

       Dd

          0,010 – 0,030

Погрешность изготовления окна фотошаблона, мм

DDш

0,010 – 0,030

Погрешность на изготовление линии на фотошаблоне, мм

Dtш

0,030 – 0,060

Погрешность диаметра контактной площадки фотокопии при экспонировании рисунка, мм

DЭ

0,010 – 0,030

Примечание:

d - погрешность расположения;

D - погрешность размеров.

Минимальный диаметр переходного отверстия определяется из соотношения:

dmin > hПП ´ g  = 1,5 ´ 0,33 = 0,495 мм                        (1)

Минимальный диаметр контактной площадки определяем из условия сохранения целостности контактной площадки (отсутствие разрыва) при сверлении плат. При этом мы должны учитывать явления подтравливания и разращиванивания проводящего слоя, погрешности относительного расположения отверстия и контактной площадки.

                        (2)

где       dmax – максимальный диаметр просверленного отверстия, мм;

            dотв – погрешность расположения отверстия, мм;

            b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (берется в соответствии с классом точности платы (табл.1.)), мм;

            dкп – смещение центра контактной площадки, мм.

                     (3)

где: Dd – определяется точностью изготовления сверла и его смещением.

            В свою очередь рассчитываем:

                 (4)

где: dМ ОТВ – диаметр металлизированного отверстия. При этом dМ ОТВ выбираем из ряда, рекомендуемого отраслевым стандартом, и с учетом собираемости со штыревыми выводами электрорадиоэлементов и интегральных микросхем. Следует отметить, что коэффициент 0,1..0,15 – величина усреднения и учитывает минимально допустимую толщину слоя гальванической меди 25мкм, слой металлорезиста, усадку отверстия после сверления, а также возможный разброс толщины при гальваническом осаждении меди и металлорезиста.

      Погрешность расположения отверстия определяем как:

dОТВ = dО + dd              (5)

и учитывает неточности сверления станка и погрешности базирования платы на станке.

      Смещение центра контактной площадки зависит от точности расположения ее рисунка на шаблоне, погрешности экспонирования, погрешности расположения базовых отверстий в фотошаблоне и заготовке платы и определяем как:

                (6)

          Подставив значения в (6), (5), (4), (3), (2) получаем:

dКП = 0,05 + 0,02 +1/2(0,03+0,02)= 0,095 мм,

dОТВ = 0,08 + 0,02 = 0,1 мм,

dсв=0,5+0,15=0,645 мм,

dmax=0,645+0,2=0,665 мм,

Dmin=1,255+1,5(0,035+0,006)+0,02=1,336мм

Таким образом минимальный эффективный диаметр контактной площадки составит 1,255мм.

Минимальный диаметр контактной площадки рассчитаем по следующей формуле:

             (7)

и составит:

     Расчет ширины проводников ведется из условия сохранения достаточной прочности сцепления проводника с диэлектриком, зависящей от адгезионных свойств материала основания и гальванической фольги. Минимальная эффективная ширина проводника t1MIN определена эксперементально и равна 0,18 мм для плат первого и второго классов. Минимальная ширина проводника определяется по следующей формуле:

           (8)

и составит:                             

tmin = 0,18 + 1,5 ´ (0,035 + 0,006) + 0,02 = 0,261мм.

     Расчет минимальных расстояний между элементами проводящего рисунка определяется заданным уровнем сопротивления изоляции при рабочем напряжении схемы или техническим требованием на печатные платы. Фактический зазор между элементами проводящего рисунка зависит от шага элементов, их максимальных размеров и точности расположения относительно заданных координат.

      Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

                (9)

где L0 – расстояние между центрами рассматриваемых элементов, принимаем равным 2мм.

Минимальный диаметр контактной площадки на фотошаблоне:

DШ min = Dmin – hp            (10)

DШ min = 1,336 – 0,02 = 1,316 мм.

          Минимальная ширина проводника на фотошаблоне:

tШ min = tmin – hp               (11)

tШ min = 0,261 – 0,02 = 0,241 мм.

Максимальный диаметр контактной площадки на фотошаблоне:

DШ max = DШ min + DDШ             (12)

DШ max = 1,336 + 0,02= 1,336 мм.

          Максимальная ширина проводника на фотошаблоне:

tШ max = tmin + DtШ           (13)

tШ max = 0,261 + 0,05 = 0,311 мм.

          Максимальный диаметр контактной площадки:

Dmax = DШ max + hp + Dэ            (14)

Dmax = 1,336 + 0,02 + 0,02 = 1,376 мм.

          Максимальная ширина проводника:

tmax = tШ max + hp + Dэ               (15)

tmax = 0,311 + 0,02 + 0,02 = 0,351 мм.

          Подставив в (9) значения из (14) и (15) получаем:

S1min=2-[(1,376/2+0,095)+0,351/2+0,05)]=1мм

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

S2 min = L0 – (Dmax + 2dКП)                   (16)

S2 min = 2 – (1,376 + 2* 0,095) = 0,43 мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

S3 min = L0 – (t max + 2dШt)          (17)

S3 min = 2 – (0,351 + 2´0,05) = 1,54 мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой на фотошаблоне:

         (18)

S4min=2-[(1,336/2+0,095)+0,311/2+0,05)]=1,03мм

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками на фотошаблоне:

S5 min = L0 – (DШ max + 2dКП)               (19)

S5 min = 2 – (1,336 + 2*0,095) = 0,474 мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками на фотошаблоне:

S6 min = L0 – (t Ш max + 2dШt)                 (20)

S6 min = 2 – (0,311 + 2´0,05) = 1,589 мм.

1.5 Конструктивные характеристики ЭРЭ

Транзистор КТ815Г

Размеры сечения выводов-0,6мм;                         

                                             m=1гр;

Пайку выводов разрешается производить на расстоянии не менее 5мм от корпуса.При монтаже в схему допускается одноразовый изгиб выводов на расстоянии не менее 2,5мм от корпуса под углом 90° радиусом не менее 0,8мм. При этом должны приниматься меры,

исключающие возможность передачи усилий на корпус. Изгиб в плоскости выводов не допускается.

Диод КД522А

Размеры сечения выводов-0,6мм;

                                        m=0,15гр;

Пайку выводов разрешается производить на расстоянии не менее 3мм от корпуса. Допускается одноразовый изгиб на расстоянии не менее 2,5мм от корпуса под углом 90°.

Конденсатор  К50-6

Размеры сечения выводов-0,6мм;

                                          m=1,5гр;

При монтаже допускается одноразовый изгиб, при этом должны приниматься меры, ограничивающие опасное воздействие усилий. Пайку следует производить бескислотными флюсами, разрешается пайка на расстоянии не менее 2 от корпуса. Время пайки не более 3с.

 Стабилитрон КС156А

Размеры сечения выводов-0,6мм;

                                             m=1гр;

При монтаже допускается вертикальная установка на печатную плату. В случае механических нагрузок, при вертикальном монтаже после пайки должны заливаться компаундом на высоте не менее 3мм.Температура жала паяльника не более 260С, время пайки не более 4с.

Микросхемы К561 ТМ2, К561 ЛЕ5, К561 ЛП2,К561 ЛЕ10

Размеры сечения выводов-0,5мм;

                                          m=1,2гр;

Микросхемы К561 ИЕ8, К561 ИР2, К1109 КТ23

Размеры сечения выводов-0,5мм;

                                          m=1,5гр;

Зазор между корпусом и платой 1мм, длина выводов после формовки и обрезки      при толщине печатной платы 1ммдолжен быть 5,4мм. При увеличении толщины платы на 0,5;1 и т.д. длина выводов должна увеличиваться на тоже значение.

Резисторы: МЛТ-0,125

Размеры сечения выводов-0,6мм;

             m=0,15гр.

 МЛТ-0,25

Размеры сечения выводов-0,6мм;

             m=0,2гр.

 МЛТ-0,5

Размеры сечения выводов-0,5мм;

             m=0,3гр.

При монтаже в схему допускается одноразовый изгиб выводов на расстоянии не менее 2мм от корпуса под углом 90°.Пайку выводов разрешается производить на расстоянии не менее 4мм от корпуса. При паянии желательно обеспечить теплоотвод. Температура жала паяльника не должна превышать 230С. Время пайки не более 4с.

 Разъемы: ОНД-КС

Размеры сечения выводов-0,6мм;

                                          m=0,2гр;

D-SUB DRB-9F

Размеры сечения выводов-0,6мм;

                                          m=4гр;

DIN 41612-64F

Размеры сечения выводов-0,6мм;

                                          m=14гр;

Соединители  устанавливаются на печатную плату, контакты подсоединяются пайкой. Фиксация розеток и ориентация относительно ответных частей обеспечивается потребителем, отклонение от соосности 0,1мм. Допускается устанавливать несколько розеток в ряд или  в длину. При этом расстояние между контактами соседних розеток должно быть 3,75мм

Для этого допускается зачистка торцов корпусов. Зачищенные поверхности покрываются электроизоляционным лаком любой марки, пригодным для условий эксплуатации, соответствующих данной розетке. Электрический монтаж может выполняться в помещениях при значении температуры –5..+40С.

2. Расчет электрических характеристик печатного узла.

2.1 Расчет потребляемой электрической мощности.

Диоды:

            КД522 (7шт*0,1=0,7 Вт).

Стабилитроны:

            КС156А (1 шт*0,3=0,3Вт).

Резисторы:

           МЛТ 0,125 (4 шт*0,125=0,5 Вт).

           МЛТ 0,25 (1 шт*0,25=0,25 Вт).

           МЛТ 0,5 (65 шт*0,5=32,5 Вт).

Интегральные микросхемы:

           К1109 КТ23(10 шт*0,0025=0,025 Вт).

           К561 ЛЕ5(2 шт*0,0025=0,005 Вт).

           К561 ЛП2(1 шт*0,0025=0,5 Вт).

           К561 ИР2  (8 шт*0,0025=0,02 Вт).

           К561 ЛЕ10(1 шт*0,0025=0,5 Вт).

           К561 ТМ2 (1шт*0,0025=0,05 Вт).

           К561 ИЕ8  (1 шт*0,0025=0,025 Вт).                               

Транзисторы:

            КТ815 Г(1шт*10=10Вт).

            åР=44Вт.

2.2 Расчет взаимной емкости и индуктивности печатных проводников.

Исходные данные:

Максимальная длина печатного проводника L=27мм

Толщина a=35 мкм

Ширина t=0,35мм

Расстояние между проводниками S=1,54мм

Удельное сопротивление r=0,025 мкОм/м

Плотность тока в проводнике gдоп=20А/мм2

Расчет по постоянному току:

Максимальный ток  в проводнике

Imax=10-3gдоп*a*t=10-3*20*35*0,35=55мА

Сопротивление максимального участка печатного проводника:      R=r*L/(a*t)=0,025*27/35*0,3=0,06Ом

Емкость и индуктивность между параллельно расположенными проводниками:

L=r*L*(lg(2L/(a+t))+0,2235*(a+t)/L+0,5)=2*27*lg(2*27/(35*0,35))+0,2235*(35+0,35)/27+0,5)=10,2мкГн

C=0,12*E*L/lg(2S/(a+t))=0,12*2*27/lg(2*1,54/(35+0,3)=5,9пФ

Емкость и индуктивность между параллельно расположенными проводниками составляет соответственно 10,2мкГн и 5,9пФ. Потребляемая мощность 44Вт.

3. Тепловой расчет печатного узла

3.1 Расчет размеров нагретой зоны

Исходные данные:

Размеры платы:

L1=0,285м

L2=0,175м

H=1,5*10-3м

1.Объем нагретой зоны:

Vб=L1 L2*H=0,285*0,175*1,5*10-3=0,07*10-3м3

2.Определение объема деталей:

   Объем микросхем:

   Vм1=19*(21,5*7,5*5)*10-9=15,3*10-6м   

   Vм2=6*(19,5*7,5*5)*10-9=4,3*10-6м                             

 Объем резисторов:

 Vр=70*(6*2,2*3)=2,7*10-6(м)                   

   

 Объем  транзисторов:

 Vт1=1*(7,2*5*3)*10-9=0,1*10-6м              

   

 Объем  диодов:

 Vд=7*(2,8*1,2*3)*10-9 =0,49*10-6м         

 Объем  стабилитрона:

  Vс=1*(15*7*8)*10-9=0,8*10-6м               

 Объем конденсатора:

 Vk=(0,08*0,05*0,046)*10-9=0,1*10-12м     

 Объем разъемов:

 Vраз=3*(0,07*0,02*0,015)=0,06*10-12м

 Объем деталей:

 Vдет= Vм+Vр+Vт+Vд+Vк+Vраз+Vс+=23,69*10-6м

 3.Коэффициент заполнения объема нагретой зоны:

 Kз=Vдет/VБ=23,69*10-6/0,07*10-3

 4.Приведенный размер основания нагретой зоны :

Lпр=ÖL1*L2=Ö0,285*0,175=0,2м

 5.Приведенная высота нагретой зоны :

          hз=H*Kз=1,5*10-3*0,3=0,45*10-3м

 6.Приведенная высота воздушного зазора между нагретой зоной и кожухом :

 H1=(H-hз)/2=(1,5*10-3-0,45*10-3)/2=0,52*10-3м

 7.Приведенная поверхность нагретой зоны:

 Sз=2*Lпр/( Lпр+2hз)=(2*0,2)/(0,2+2*0,45*10-3)=2м3

 

3.2 Вычисление средней температуры поверхности нагретой зоны:

Исходные данные:

Габаритные размеры нагретой зоны

a  – длина                                                                                                 = 0,285 м

b  – ширина                                                                                              = 0,175 м

h  – высота                                                                                               = 0,0015м

e1  – степень черноты поверхности корпуса                                        = 0,28

e2  – степень черноты печатной платы                                                  = 0,93

tс–  температура окружающей среды                                                    = 318 К

р – выделяемая мощность нагретой зоны                                            = 44Вт

bэфф – расстояние между двумя платами                                              = 15×10-3м

бэфф – эффективная толщина нагретой зоны                                        = 6×10-3м

N – количество плат                                                                               = 4

e - точность                                                                                             = 2К

Порядок расчета:

1.      Задаем перегрев нагретой зоны относительно корпуса: tIзк = 2D tkр=2*16,6=33,2К

2.      Находим площадь излучающей поверхности нагретой зоны: S =2×b×h + 2bэфф(b+h)=2*0,285*0,0015+2*6*10-3*(0,175+0,0015)=0,05 м2

3.      Находим приведенную степень черноты: eпр1,2=1/1/ e1  +1/e2  -1=1/1/ 0,28  +1/0,93  -1=0,28

4.      Находим лучистую составляющую зона-корпус: Gлзк=eпр1,2*фзк*5,67*10-8(t43- t4k)*S /( tз- tk)=0,28*1*5,67*10-8 (351,24 -3184)*0,05м2/(351,2-318)=0,12Вт/К

      t3 =tk+D tIзк=318+33,2=351,2

5.      Находим температуру воздуха: tв=0,2D tIзк+ tk =0,2*33,2+318=324,6К

6.      Находим конвективную составляющую зона-воздух: Gзв=(N+1)4,12-  / bэфф*bh=5*4,12*0,0283/15*10-3 *0,285*0,175=0,9Вт/К, =f(tв)=0,0283Вт/м*к-теплопроводность воздуха

7.      Проверяем условие: D tзк< (0,84/L) 3

      =0,09м

      33,2<807

8.      Находим среднее значение температуры воздух-корпус: tm=0,5(tв +tк )=0,5(324,6+318)=321,3К

9.      Т.к. пункт 7 выполнился, применяем закон ¼: Gвк=2А2(tв -tк )1/4((ah+bh)h1/4+ab/min(a,b) ¼ =2*1,36(324,6-318) ¼((0,285*0,0015+0,175*0,0015)0,00151/4+0,285*0,175/0,1751/4)=21,3Вт/К

10.  Определяем конвективную составляющую зона-корпус: Gзк= Gзв* Gвк/Gзв+Gвк=0,9*21,3/0,9+21,3=0,8Вт/К

11.  Суммарная теплопроводность зона-корпус: Gзк +Gлзк =0,8+0,12=0,92Вт/К

12.  Определяем реальный перегрев зоны относительно корпуса: D tзкр =Р/G =44/0,92=32,6К

13.  Проверяем условие: ïD tIзк - D tзкрï< e

|33,2-32,6| < 2

0,6<2

Условие выполнилось.

   Был произведен расчет средней температуры нагретой зоны относительно корпуса в герметичном исполнении при естественном охлаждении. Т.к. реальный перегрев зоны относительно корпуса составляет  D tзкр =32,6К(4,5*С),то нагретая зона в охлаждении не нуждается.

4.     Расчет устойчивости печатного узла к

механическим воздействиям

4.1 Расчет 1-ой резонансной  частоты.

Ширина платы (a) = 0,285 м;

Длина платы (b) = 0,175 м;

r = 1,85×103 кг/м3 – плотность материала;

h = 1,5×10-3 м – толщина печатной платы;

E = 3,02×1010 Н/м2 – модуль упругости;

m = 0,22 – коэффициент Пуассона;

p = 1 – коэффициент зависящий от способа крепления;

q = 2 – коэффициент зависящий от способа крепления;

r = 1 – коэффициент зависящий от способа крепления;

1.      Определяем цилиндрическую жесткость ПП:

                  (21)

2.      Расчет массы ПП:

mпп = a´b´h´r = 0,285´0,175´1,5×10-3´1,85×103 = 0,14 кг;                (22)

3.      Расчет массы радиоэлементов

Микросхемы:          К1109КТ23 (10шт*1,5гр=15гр)

                                  К561ЛЕ5 (2шт. ´ 1,2гр = 2,4гр)

                                  К561ЛП2 (1шт. ´ 1,2гр = 1,2гр)

                                  К561ИР2 (8шт. ´ 1,5гр = 12гр)

                                  К561ЛЕ10 (1шт. ´ 1,2гр = 1,2гр)

                     К561ТМ2  (1шт ´  1,2гр=1,2гр)

                     К561ИЕ8 (1шт´1,5гр=1,5гр)

                             

Резисторы:

МЛТ-0.125 (4шт. ´ 0,15гр = 0,6гр)

МЛТ-0.25 (1шт. ´ 0,2гр = 0,2гр)

МЛТ-0.5 (70шт. ´ 0,3гр = 21гр)

Конденсаторы:

                     К50-6 (1шт. ´ 1,5гр = 1,5гр)

 Диод:

                     КД522А (7шт. ´ 0,15гр = 1,05гр)

Транзистор:

                     КТ813Г (1 шт´1гр=гр)

         

Стабилитроны:

                      КС156А (1шт´12гр=12гр)

Разъемы:

                      ОНД-КС(1шт. ´ 0,2гр = 0,2гр)

                      D-SUB(1шт*4гр=4гр)

                      DIN(!шт*14гр=14гр)

mЭ = 1,5 + 2,4 + 1,2 + 12+1,2+1,2+1,5+0,6+0,2+21+1,5+1,05+1+0,2+4+14 = 77,55гр=0,077 кг;

4.      Расчет резонансной частоты

             (23)

fрез =1,57(1/0,08+1/0,03)8,926/0,217/0,04=86,3Гц

Условие вибропрочности имеет вид   fрез > 2fмах , где fмах – максимальная частота воздействующих на плату вибраций.

Степень жесткости вибронагрузок (по заданию) равна III, для нее fмах = 30Гц. Следовательно, условие вибропрочности выполняется fрез > 2fмах и никаких дополнительных мер по повышению вибропрочности конструкции принимать не надо.

4.2 Расчет изгибающего напряжения от линейного ускорения.

Максимальный прогиб при нагрузке Q = m´(U + g) равен:

Прогиб при линейном ускорении и одиночном ударе:

                             (25)

Zаа=0,16*1/3,02*1010 (0,14+0,077)(109,8+9,8)/0,175*(1,5*10-33  *0,2853

где l = a = 0,285 м ; AZ = 0,16;

                            (26)

Zbb=0,16*1/3,02*1010 (0,14+0,077)(10*9,8+9,8)/0,285*(1,5*10-33  *0,1753

где l =b = 0,175 м ; AZ = 0,16;

Zs = min{Zaa,Zbb};                                            (27)

Zs = Zaa = 0,6×103 м.

Расчет механического напряжения:

bu=4,8/0.081*3.02 *1010 *1,5*10-3*0,6*10-3  =  16,1*107 н/м2

Максимальный прогиб ПП при линейном ускорении и при одиночном ударе при линейном ускорении 10g составляет – 0,6×10-3 м. Механическое напряжение – 161×106 Н/м2.

           

5.     Расчет устойчивости печатного узла к

механическим воздействиям

5. Расчет надежности печатной платы

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

Расчетом надежности называется определение значений количественных характеристик надежности. Исходными данными для расчета являются типы элементов, их количество, значение интенсивности отказов, условия эксплуатации и режимы работы элементов.

Надежность — свойства изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатционные показатели в допустимых впределах в течении требуемого промежутка времени.

Работоспособность – это такое состояние системы, при котором она в данный момент  времени соответсвует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание всех процессов.

Отказ – событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы.

Исходные данные для расчета показателей надежности типовых конструкции ЭВМ: принципиальная схема с указанием типов деталей, входящих в неё; режимы работы всех деталей (электрические, климатические и механические ); значения интенсивности отказов всех типов деталей при номинальных и фактических режимах, значения среднего времени без отказной работы.

По результатам анализа влияния на работоспособность типовой конструкции входящих в неё элементов составляют структурную схему надежности. Элемент включается в эту схему, если его отказ приводит к отказу типовой конструкции.

Суммарная интенсивность отказов типовой конструкции:

                                                      L=Sn1lini           

где li-интенсивность отказов, представляет собой вероятность отказов в единицу времени при условии, что до момента времени t отказов не было.

Основной показатель надежности  восстанавливаемых изделий – наработка на отказ Т0,определяемая как среднее значение наработки между отказами.

Наработка на отказ:

                                                      T0=1/L            

Интенсивность отказов комплектующих элементов, являющихся их исходной характеристикой надежности, зависит от режима работы и степени тяжести таких внешних

воздействии, как температура, тепловой удар, влажность , вибрации, линейные ускорения, удары, радиация и т.д.

                                                      l=l0к1к2...кн                   

Исходные данные:

            L- интенсивность отказа всего устройства

            li- отказ i-ого устройства           

            l0- интенсивность отказа

Таблица 3

           

Элемент

Интенсивность отказа, l0

Число элементов, n

n*l0

ИС

0.2*10-7

24

4.8*10-7

Транзисторы

0.3*10-7

1

0.3*10-7

Конденсаторы

0.3*10-7

1

0.3*10-7

Диоды

0.12*10-7

2

0.24*10-7

Резисторы

0.1*10-7

70

7*10-7

Контакты разъема

0.2*10-7

70

14*10-7

Паяные соединения

0.5*10-9

607

3.03*10-7

Печатная плата (на один слой)

10-7

2

2*10-7

ИТОГО, L

37.67*10-7

L=Sn1lini=37,67*10-7

T0=1/L=267594 ч.=11149сут.=371мес.=30 лет.

6.1Размещение элементов и трассировка печатной платы.
На этом этапе определяем размеры монтажной зоны на печатной зоне, под которой понимается пространство на печатной плате, предназначенное для размещения активных и пассивных ЭРЭ, контактных площадок и печатных проводников для осуществления межконтактных соединений. 

Рекомендуемые значения краевых поле равны : х>2.5  ; y>10 ;

х

у

Ly

Lx

 1

 2

3

Рис.2 Размещение элементов на печатной плате: 1- посадочное место;2- граница зоны размещения ; 3- краевое поле печатной платы;

С учетом габаритных размеров ЭРЭ, результатов предварительного анализа принципиальной схемы [см. приложение] корпуса элементов ориентируются параллельно линиям координатной сетки, вывода ЭРЭ размещаются в узлах сетки. Затем, после размещения всех элементов в монтажной зоне выполняется трассировка соединений. 

Рост сложности конструкции электронной вычислительной аппаратуры неизбежно ведет к росту сложности печатных плат как основу для осуществления электрических связей между составляющими элементами. Увеличение числа и типов элементов, числа выводов ИС усложняет электрическую схему, насыщая ее электрическими проводниками. Трассировка этих проводников представляет собой сложную математическую и инженерную задачу. По существу, задача трассировки проводников сводится полному перебору всех возможных вариантов размещения соединяемых элементов и нахождение оптимального. Критерием оптимальности является минимальная сумма длин всех размещаемых на плате печатных проводников.

Исходными данными для решения задачи проектирования печатного монтажа являются: размер монтажного поля, минимально допустимая ширина печатного проводника и расстояния между ними , число слоев, геометрия и координаты запрещенных для раскладки проводников, электрическая схема размещаемого на плате узла.Результат трассировки приведен в графической части.

6.2 Описание схемы сборки

На подготовленную поверхность печатной платы в просверленные отверстия  устанавливается транзистор, который припаивается к печатной плате припоем ПОС61. Затем устанавливаются интегральные микросхемы (24шт.) в просверленные отверстия, которые припаиваются припоем ПОС61. Далее устанавливаются резисторы (70шт), которые также припаиваются припоем ПОС61. Следующий этап состоит в установке конденсатора К50-6 и диодов (8шт.), пайка выводов производиться припоем ПОС61. И завершающей операцией является установка разъемов. Контакты разъемов ОНД-КС и D-SUB  припаиваются припоем ПОС61 к поверхности печатной платы. Разъемы DIN 41612 крепяться к плате с помощью винта, гайки и шайбы, контакты припаиваются припоем ПОС61. После всех произведенных операций   получаем печатный узел.

Заключение

Заключение.

Курсовой проект по дисциплине “Конструкторско-технологическое проектирование ЭВМ” является итоговой работой по этому курсу.

В данном курсовом проекте приведены расчеты электрических характеристик печатного узла, элементов печатного рисунка печатной платы, тепловой расчет печатного узла, расчет устойчивости печатного узла к механическим воздействиям, расчет надежности, согласно условиям эксплуатации, указанным в техническом задании

Так как для данной платы не требуется большая точность изготовления, был выбран  комбинированный позитивный метод как наиболее распространенный и дешевый. Данный  метод относится к субтрактивным, где процесс получения проводящего рисунка заключа­ется  в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления.

Список литературы

Список литературы:

1.      Романычева Е.Н. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА.Справочник: М.: “Радио и связь”,1998-95с.

2. Справочник ЕСКД по электрическим схемам.-М.:”Радио и связь”,1990г.

3. Интегральные микросхемы: Справочник/Б.В. Тарабин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; Под ред. Б.В. Тарабина – 2-е изд., испр.-М.: Энергоатомиздат, 1985.-528с.,ил.

4. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Конструирование  ЭВМ и систем: Учеб. пособие для втузов по спец. ”ЭВМ” и “Конструирование и производство ЭВМ”. — М.: Высш. шк., 1986. — 512 с., ил.

5. Савельев А.Я., Овчинников В.А.   Конструирование  ЭВМ и систем: Учеб. пособие для вузов по спец. “Выч. маш., компл., сист. и сети”.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.; Высш. шк., 1989. — 312 с., ил.

6. Справочник по электрическим конденсаторам /М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.;Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. – М.: Радио и связь, 1983. – 576с.,ил.

7. Ушаков Н.Н. Техноглогия производства ЭВМ : Учеб. для студ. вузов по спец. «Вычислит. машины, комплексы, системы и сети» - 3-е изд. , перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1991. – 416с., ил.

8. Чернышев А.А.  Основы конструирования и надежности электронных вычислительных средств: Учеб. для вузов.-М,: Радио и связь,1998.-448с.,ил.

9. // Радио №12, 1993г.,стр.36-38.

10. Лярский В.Ф., Мурадян О.Б. Электрические соединители:Справочник.М.:”Радио и связь”, !988.-272с.

11. Кабели и разъемы:Справочник.М.:АО “Бурый медведь”, 1997.-50с.

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д