Усилители: конструкция и эксплуатация

Введение

В настоящее время усилители получили очень широкое распространение практически во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности, в технике, в медицине, в музыке, на транспорте и во многих других. Усилители являются необходимым элементом любых систем связи, радиовещания, акустики, автоматики, измерений и управления. Но прежде, чем усилитель стал таким распространенным ему пришлось пройти очень долгий путь.

Активным элементом первых усилителей была электронная лампа. Такие усилители были громоздки, потребляли много энергии и быстро выходили из строя. Только в середине нашего столетия после долгих упорных поисков и трудов наконец удалось впервые создать усилительный полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Это важное открытие произвело крупный переворот в радиоэлектронике. Габариты транзисторных усилителей стали в несколько раз меньше ламповых, а потребляемая мощность - в десятки раз меньше. К тому же значительно увеличилась надежность.

Но научно-технический прогресс на этом не остановился. Появилась первая микросхема. Сейчас широко применяются усилители, полностью собранные на микросхемах и микросборках. Практически единственная проблема на сегодняшний день - это отвод тепла. Так как мощные усилители рассеивают большое количество тепла, необходимо интенсивно отводить это тепло, что не позволяет миниатюризировать мощные усилители.

Следующим этапом развития является технология поверхностного монтажа кристаллов. Технология поверхностного монтажа кристаллов обеспечивает миниатюризацию радиоэлектронной аппаратуры при росте ее функциональной сложности. Навесные компоненты намного меньше, чем монтируемые в отверстия, что обеспечивает более высокую плотность монтажа и уменьшает массо-габаритные показатели. Наряду с этим для большей миниатюризации применяют микросборки и гибридные интегральные схемы.

В настоящее время многие усилители выполняются на печатных платах. Применение печатных плат дало возможность, по сравнению с объемными конструкциями, увеличить плотность монтажа, надежность, ремонтопригодность, уменьшить массу конструкции, разброс параметров и так далее.

В данном курсовом проекте при изготовлении усилителя звуковой частоты используется двусторонняя печатная плата, изготовленная позитивным комбинированным методом.

1. Назначение и условия эксплуатации

Данный усилитель предназначен для воспроизведения монофонических музыкальных программ и рассчитан на работу с радиоприемником, магнитофоном, электропроигрывающим устройством или проигрывателем компакт дисков, снабженным предварительным корректирующим усилителем.

Особенностью этого усилителя является использование микросхемы, специально предназначенной для сборки бестрансформаторного усилителя низкой частоты звуковоспроизводящей аппаратуры I и II классов. Это позволило упростить усилитель в целом и обеспечить сравнительно высокие характеристики.

Так, полоса пропускания усилителя при номинальной выходной мощности и неравномерности частотной характеристики 1,5 дБ составляет 40-16 000 Гц. При этом уровень шума не превышает -50 дБ. Чувствительность усилителя 50 мВ, входное сопротивление 50 кОм, номинальная мощность на нагрузке 8-10 Ом 8 Вт при коэффициенте гармоник - не более 1%. Усилитель снабжен раздельными регуляторами тембра по низшим и высшим частотам, диапазон регулирования на частотах 100 и 10 000 Гц составляет +20...-18 дБ. При максимальной выходной мощности усилитель потребляет от сети не более 25 Вт.

Данный усилитель предназначен для эксплуатации в районах умеренного климата при температуре воздуха 25±100С, относительной влажности воздуха 60±15% и атмосферным давлением 630-800 мм рт. ст.

2. Выбор варианта конструкции

Проанализировав электрическую принципиальную схему с точки зрения конструкции радиоэлементов, я обнаружил, что практически все радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, стабилитроны, микросхема) не имеют бескорпусных аналогов.

Сложив мощности рассеивания всех радиоэлементов, получили суммарную мощность рассеивания более 2 Вт. При такой мощности рассеивания изготовление данной схемы на ГИС нецелесообразно, так как потребуется дополнительный отвод тепла. В схеме также присутствуют конденсаторы емкостью до 200 мкФ, а по конструктивным требованиям конденсаторы емкостью более 0,033 мкФ в виде пленочного элемента не выполняются, а бескорпусные навесные конденсаторы изготовляются емкостью только до 1,5 мкФ. Также в схеме присутствует большой разброс параметров, что еще раз подтверждает невозможность изготовления данной схемы на ГИС.

Учитывая все вышеперечисленные моменты, делаем вывод, что изготовление заданного устройства на ГИС не представляется возможным, поэтому принимаем решение изготавливать данное устройство на печатной плате.

В качестве несущей конструкции применяем двухстороннюю печатную плату, при этом компоновка радиоэлементов получится более плотной, соответственно и габаритные размеры печатной платы будут меньше.

В данной схеме присутствуют два мощных выходных транзистора, которым требуются дополнительный отвод тепла. Чтобы не занимать место на печатной плате, устанавливать дополнительные теплоотводы для этих транзисторов не будем. В качестве общего теплоотвода будет использоваться металлический корпус кожуха. Эти транзисторы через слюдяную прокладку устанавливаются на задней стенке кожуха, и затем хомутками и винтами М3 закрепляются на ней. Слюдяная прокладка нужна для того, чтобы не было электрического контакта между коллекторами транзисторов.

Также на задней стенке закрепляются входной и выходной разъемы. На передней панели устанавливаются переменные резисторы регулировки громкости и тембра по высшим и низшим частотам.

Остальные радиоэлементы дополнительного крепления не требуют.

В геометрических размерах печатной платы следует предусмотреть припуск на технологическое поле для отверстий, с помощью которых печатная плата крепится при изготовлении печатных проводников.

3. Выбор материалов

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Необходимость применения защитного покрытия мы рассмотрим несколько ниже. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

на бумажной основе;

на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований (см. дальше) следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса.

Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 1.

Тип

Максимальная рабочая температура, 0C

Время пайки при 2600 С, сек

Сопротивление изоляции, МОм

Объемное сопротивление, МОм

Диэлектрическая постоянная, e

Фенольный гетинакс

110-120

5

1 000

1·104

5,3

Эпоксидный гетинакс

110-120

10

1 000

1·105

4,8

Эпоксидный стеклотекстолит

130-150

20

10 000

1·106

5,4

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений для изготовления двусторонней печатной платы позитивным комбинированным способом выбираем фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35.

Теперь рассмотрим необходимость применения защитного покрытия от влаги. В разделе “НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ” мы описали, что данный усилитель предназначен для эксплуатации в нормальных условиях при температуре 25±100 С и относительной влажности воздуха 60±15%. То есть казалось, что никакого защитного покрытия от влаги не требуется, однако в действительности все обстоит несколько иначе. Многое зависит от помещений, в которых будет эксплуатироваться данный усилитель.

Например, на первом этаже деревянного дома с печным отоплением относительная влажность воздуха может достигать 90% и неделями держаться на этом уровне. На верхних этажах таких домов она иногда превышает 83%, изменяясь в течение суток от максимума в предрассветные часы до минимума в середине дня. В домах с центральным отоплением в зимнее время влажность часто падает ниже 40%. Аналогичные условия могут быть в кирпичных и железо-бетонных зданиях.

Таким образом, нормальные условия при эксплуатации радиоаппаратуры выдерживаются далеко не всегда. Прежде всего, это относится к влажности воздуха. Следует отличать абсолютную влажность, характеризующую количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 м3 воздуха, от относительной влажности, представляющей собой выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к тому количеству водяного пара, при котором воздух насыщен при каждой данной температуре (дальнейшее его насыщение невозможно - избыток влаги выпадает в виде росы). Повышение температуры приводит к уменьшению относительной влажности, а понижение, наоборот,- к увеличению ее вплоть до выпадения росы.

Нередко радиоаппаратуру устанавливают возле окна. При проветривании помещения в теплое время года влажный наружный воздух обдувает ее, попадает через вентиляционные отверстия внутрь футляра, и, если температура вне помещения выше, чем внутри, относительная влажность воздуха в футляре растет, может выпасть роса. Такая же картина наблюдается и зимой, но в этом случае внешний воздух охлаждает блоки радиоаппаратуры, и роса выпадает на них из влажного воздуха помещения. Этим объясняется требование инструкций по эксплуатации выдерживать внесенный с улицы в помещение аппарат не менее двух часов, не извлекая из упаковки (коробка защищает его от влажного воздуха).

Действие влажного воздуха на радиоаппаратуру объясняется малыми размерами молекул воды (до 3·10-8 см). Это позволяет ей проникать в мельчайшие поры и трещины диэлектриков, а так как она хорошо растворяет соли и щелочи, то происходящий при этом процесс электролитической диссоциации приводит к образованию проводящих электролитов, резко снижающих поверхостное и объемное сопротивление изоляции.

Даже при нормальной относительной влажности воздуха (65%) все тела покрыты тончайшей (0,001...0,01 мкм) пленкой влаги, которая может быть непрерывной (на гидрофильной поверхности) или прерывистой (на гидрофобной). С ростом относительной влажности толщина пленки растет и при 93...96% достигает сотни микрон, резко снижая поверхостное сопротивление изолятора.

Уменьшение поверхостного и объемного сопротивлений приводит к шунтированию элементов, появлению гальванических связей между ними, возрастанию потерь в конденсаторах и трансформаторах, падению добротности катушек и так далее. Все это вызывает ухудшение работы аппарата и в ряде случаем выход его из строя из-за электрических пробоев.

Весьма опасна, особенно для серебра и олова, электрохимическая коррозия, приводящая к нарушению паяных соединений в печатном монтаже, возрастанию переходного сопротивления контактов реле и переключателей (вплоть до полного разрыва цепи). Большую опасность высокая относительная влажность представляет для самих печатных плат: из-зи небольших расстояний между проводниками появление пленки и капель влаги приводит к пробою между ними.

Следовательно, воздух с высокой (более 80%) относительной влажностью, действующей длительное время на радиоаппаратуру,- фактор, который необходимо учитывать при ее конструировании и эксплуатации. Ежедневная работа в течение четырех-пяти часов в какой-то мере предохраняет радиоаппаратуру от повреждения в этих условиях.

Способы защиты радиоэлектронной аппаратуры от действия влажного воздуха бывают пассивными и активными. Пассивная защита основана на создании барьера, либо замедляющего проникновение влаги, либо полностью изолирующего его от влажного воздуха. В первом случае это достигается пропиткой или покрытием объекта различными веществами (смолами, лаками, компаундами), во втором - помещением его в герметичный корпус (металлический корпус, стеклянный или керамический баллон). Активная защита заключается в поглощении влаги адсорбентами, снижающими относительную влажность воздуха в кожухе аппарата до безопасного уровня.

Пассивные способы в настоящее время - основные при защите радиоаппаратуры. Следует, однако, отметить, что полная герметизация бытовых аппаратов обычно не применяется из-за большой стоимости, значительной материалоемкости, увеличения массы и объема аппарата, сложности уплотнения осей ручек управления, плохой ремонтопригодности и так далее.

Самый распространенный и дешевый способ защиты гетинаксовых и стеклотекстолитовых печатных плат - покрытие их бакелитовыми, эпоксидными и другими лаками или эпоксидной смолой. Наиболее стойко к действию влаги покрытие из эпоксидной смолы, обеспечивающее самое высокое поверхостное сопротивление. Несколько хуже защитные свойства перхлорвиниловых, фенольных и эпоксидных лаков. Плохо защищает покрытие из полистирола, но в отличие от остальных, при помещении изделия в нормальные условия оно быстро восстанавливает свои свойства.

Далее приведены наиболее распространенные материалы, применяемые для защитных покрытий.

Лак СБ-1с, на основе фенолформальдегидной смолы, нанесенный на поверхность сохнет при температуре 600 С в течение 4 ч, наносят его до пяти слоев с сушкой после каждого слоя, получается плотная эластичная пленка толщиной до 140 мкм.

Лак УР-231 отличается повышенной эластичностью, влагостойкостью и температуростойкостью, поэтому может применяться для гибких оснований. Лак приготовляют перед нанесением в соответствии с инструкцией и наносят на поверхность пульверизацией, погружением или кисточкой. Наносят четыре слоя с сушкой после каждого слоя при температуре 18-230 С в течение 1,5 ч.

Для аппаратуры, работающей в тропических условиях, в качестве защитного покрытия применяют лак на основе эпоксидной смолы Э-4100. Перед покрытием в лак добавляют 3,5% отвердителя № 1, смешивают и разводят смесью, состоящей из ацетона, этилцеллозольва и ксилола до вязкости 18-20 сек по вискозиметру ВЗ-4. После смешивания жидкость фильтруют через марлю, сложенную в несколько слоев. В полученную смесь погружают чистую высушенную аппаратуру. После каждого погружения стряхивают излишки смеси и ставят сушить на 10 мин, таким образом наносят шесть слоев. Это покрытие обладает малой усадкой и плотной структурой.

Исходя из вышеперечисленных сравнений выбираем для защитного покрытия от действия влаги лак УР-231.

4. Расчетная часть

4.1. Определение ориентировочной площади печатной платы

Сначала рассчитаем суммарную площадь резисторов МЛТ-0,125

S1=n1×L1×D1

S1=22×6×2,2=290,4 мм2

где S1 - суммарная площадь резисторов МЛТ-0,125

n - количество резисторов МЛТ-0,125

L1 - длина резистора МЛТ-0,125, мм

D1 - ширина резистора МЛТ-0,125, мм

Рассчитаем суммарную площадь резисторов МЛТ-0,25:

S2= n2×L2×D2

S2=4×7×3=84 мм2

где S2 - суммарная площадь резисторов МЛТ-0,25

n2 - количество резисторов МЛТ-0,25

L2 - длина резистора МЛТ-0,25, мм

D2 - ширина резистора МЛТ-0,25, мм

Рассчитаем суммарную площадь резисторов МЛТ-0,5:

S3=n3×L3×D3

S3=2×10,8×4,2=90,72 мм2

где S3 - суммарная площадь резисторов МЛТ-0,5

n3 - количество резисторов МЛТ-0,5

L3 - длина резистора МЛТ-0,5, мм

D3 - ширина резистора МЛТ-0,5, мм

Рассчитаем суммарную площадь резисторов СП3-1б:

S4=n4×L4×D4

S4=1×15,5×8,2=127,1 мм2.

где S4 - суммарная площадь резисторов СП3-1б

n - количество резисторов СП3-1б

L4 - длина резистора СП3-1б, мм

D4 - ширина резистора СП3-1б, мм

Рассчитаем суммарную площадь конденсаторов К53-1:

S5=n5×L5×D5

S5=3×13×4=156 мм2.

где S5 - суммарная площадь конденсаторов К53-1 емкостью 15 мкФх16 В.

n5 - количество конденсаторов К53-1 емкостью 15 мкФх16 В

L5 - длина конденсатора К53-1 емкостью 15 мкФх16 В, мм

D5 - ширина конденсатора К53-1 емкостью 15 мкФх16 В, мм

S6=n6×L6×D6

S6=1×10×4=40 мм2

где S6 - суммарная площадь конденсаторов К53-1 емкостью 6,8 мкФх16 В.

n6 - количество конденсаторов К53-1 емкостью 6,8 мкФх16 В

L6 - длина конденсатора К53-1 емкостью 6,8 мкФх16 В, мм

D6 - ширина конденсатора К53-1 емкостью 6,8 мкФх16 В, мм

S7=n7×L7×D7

S7=1·17·4=68 мм2

где S7 - суммарная площадь конденсаторов К53-1 емкостью 4,7 мкФх30 В.

L7 - длина конденсатора К53-1 емкостью 4,7 мкФх30 В, мм

D7 - ширина конденсатора К53-1 емкостью 4,7 мкФх30 В, мм

Рассчитаем суммарную площадь конденсаторов К50-6:

S8=n8·p·r82

S8=2·3,14·32=56 мм2

где S8 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 10 мкФх16 В.

n8 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 10 мкФх16 В.

p=3,14

r8 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 10 мкФх16 В, мм

S9=n9·p·r92

S9=2·3,14·3,752=88 мм2

где S9 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 30 мкФх16 В.

n9 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 30 мкФх16 В, мм

r9 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 30 мкФх16 В, мм.

S10=n10·p·r102

S10=1·3,14·72=154 мм2

где S10 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 50 мкФх25 В.

n10 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 50 мкФх25 В.

r10 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 50 мкФх25 В, мм

S11=n11·p·r112

S11=1·3,14·62=113 мм2

где S11 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 100 мкФх10 В.

n11 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 100 мкФх10 В.

r11 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 100 мкФх10 В, мм

S12=n12·p·r122

S12=1·3,14·62=113 мм2

где S12 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 100 мкФх16 В.

n12 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 100 мкФх16 В.

r12 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 100 мкФх16 В, мм

S13=n13·p·r132

S13=1·3,14·92=254 мм2

где S13 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 200 мкФх25 В.

n13 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 200 мкФх25 В.

r13 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 200 мкФх25 В, мм

S14=n14·p·r142

S14=1·3,14·92=254 мм2

где S14 - суммарная площадь конденсаторов К50-6 емкостью 500 мкФх25 В.

n14 - количество конденсаторов К50-6 емкостью 500 мкФх25 В.

r14 - диаметр конденсатора К50-6 емкостью 500 мкФх25 В, мм

Рассчитаем суммарную площадь конденсаторов КД-2б:

S15=n15·L15·D15

S15=1·16,5·5=82,5 мм2

где S15 - суммарная площадь конденсаторов КД-2б.

n15 - количество конденсаторов КД-2б.

L15 - длина конденсатора КД-2б, мм

D15 - ширина конденсатора КД-2б, мм

Рассчитаем суммарную площадь конденсаторов КМ-5:

S17=n17·L17·D17

S17=1·11·3,3=36,3 мм2

где S17 - суммарная площадь конденсаторов КМ-5 емкостью 0,033 мкФ.

n17 - количество конденсаторов КМ-5 емкостью 0,033 мкФ.

L17 - длина конденсатора КМ-5 емкостью 0,033 мкФ, мм

D17 - ширина конденсатора КМ-5 емкостью 0,033 мкФ, мм

S18=n18·L18·D18

S18=1·8,5·3=25,5 мм2

где S18 - суммарная площадь конденсаторов КМ-5 емкостью 0,047 мкФ.

n18 - количество конденсаторов КМ-5 емкостью 0,047 мкФ.

L18 - длина конденсатора КМ-5 емкостью 0,047 мкФ, мм

D18 - ширина конденсатора КМ-5 емкостью 0,047 мкФ, мм

S19=n19·L19·D19

S19=1·6·3=18 мм2

где S19 - суммарная площадь конденсаторов КМ-5 емкостью 0,047 мкФ.

n19 - количество конденсаторов КМ-5 емкостью 0,047 мкФ.

L19 - длина конденсатора КМ-5 емкостью 0,047 мкФ, мм

D19 - ширина конденсатора КМ-5 емкостью 0,047 мкФ, мм

S20=n20·L20·D20

S20=2·8,5·3=51 мм2

где S20 - суммарная площадь конденсаторов КМ-5 емкостью 2200 пФ.

n20 - количество конденсаторов КМ-5 емкостью 2200 пФ.

L20 - длина конденсатора КМ-5 емкостью 2200 пФ, мм

D20 - ширина конденсатора КМ-5 емкостью 2200 пФ, мм

S21=n21·L21·D21

S21=1·13·3=39 мм2

где S21 - суммарная площадь конденсаторов КМ-5 емкостью 0,01 мкФ.

n21 - количество конденсаторов КМ-5 емкостью 0,01 мкФ.

L21 - длина конденсатора КМ-5 емкостью 0,01 мкФ, мм

D21 - ширина конденсатора КМ-5 емкостью 0,01 мкФ, мм

Рассчитаем площадь микросхемы К237УН2:

S22=n22·L22·D22

S22=1·19,5·7,5=146,2 мм2

где S22 - суммарная площадь микросхемы К237УН2.

n22 - количество микросхемы К237УН2.

L22 - длина микросхемы К237УН2, мм

D22 - ширина микросхемы К237УН2, мм

Рассчитаем суммарную площадь стабилитронов Д814Б:

S23=n23·L23·D23

S23=2·15·7=210 мм2

где S23 - суммарная площадь стабилитронов Д814Б.

n23 - количество стабилитронов Д814Б.

L23 - длина стабилитронов Д814Б, мм

D23 - ширина стабилитронов Д814Б, мм

Рассчитаем суммарную площадь транзисторов КТ315Г:

S24=n24·L24·D24

S24=4·6·3=72 мм2

где S24 - суммарная площадь транзисторов КТ315Г

n24 - количество транзисторов КТ315Г

L24 - длина транзисторов КТ315Г, мм

D24 - ширина транзисторов КТ315Г, мм

Рассчитаем суммарную площадь транзисторов ГТ402:

S25=n25·p·r25

S25=1·3,14·5,852=107 мм2

где S25 - суммарная площадь транзисторов ГТ402

n25 - количество транзисторов ГТ402

r25 - радиус транзисторов ГТ402, мм

Рассчитаем суммарную площадь транзисторов ГТ404:

S26=n26·p·r26

S26=1·3,14·5,85=107 мм2

где S26 - суммарная площадь транзисторов ГТ404

n26 - количество транзисторов ГТ404

r26 - радиус транзисторов ГТ404, мм

Рассчитаем суммарную площадь транзисторов КТ605А:

S27=n27·p·r27

S27=1·3,14·5,85=107 мм2

где S27 - суммарная площадь транзисторов КТ605А

n27 - количество транзисторов КТ605А

r27 - радиус транзисторов КТ605А , мм

Далее рассчитаем суммарную площадь всех радиоэлементов:

Så=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8+S9+S10+S11+S12+S13+S14+S15+S16+S17+S18+S19+S20+S21+S22+S23+S24+S25+S26+S27

Så=303,6+84+136+127,1+156+40+68+56+88+154+113+113+254+254+
+82,5+200+36,3+25,5+18+51+39+146,2+210+72+107+107+107=3148 мм2

где Så - суммарная площадь всех радиоэлементов.

Определим ориентировочную площадь печатной платы:

Sпп=2·(Så+Sпров)

Sпп=2·(3148+3148)=12592 мм2

Sпров=Så=3148 мм2

где Sпп - ориентировочная площадь печатной платы

Sпров - площадь печатных проводников

Исходя из рассчитанной площади печатной платы выбираем ее размер - 140х100 мм.

4.2. Расчет минимальной ширины проводника

Большая поверхность и хороший контакт с изоляционным основанием обеспечивает интенсивную отдачу тепла от проводника изоляционной платы и в окружающее пространство, что позволяет пропускать бÓльшие токи, чем через объемные проводники того же сечения. Для печатных проводников, расположенных на наружних слоях, допускается плотность тока до 20 А/мм2. При этом заметного нагрева проводников не наблюдается.

Плотность тока определяется по формуле:

D=I/S

где I=0,5 А - максимальный ток в схеме

S - площадь сечения печатного проводника, мм2

Отсюда

S=I/D

S=0,5/20=0,025 мм2

Как известно,

S=b·h

где b - ширина проводника

Отсюда

b=S/h

b=0,025/0,035=0,71 мм

Таким образом, минимальная ширина печатного проводника может быть 0,71 мм. Поэтому в качестве нормальной ширины проводника будем принимать значение 1 мм.

5. Разработка топологии печатной платы

Перед началом разработки топологии печатной платы необходимо решить вопросы, связанные с печатной платой. Решение этих вопросов поможет конструктору оптимально разместить электрорадиоэлементы на печатной плате.

В начале конструкторской работы должны быть решены вопросы, касающиеся габаритных размеров печатной платы и координат крепежных отверстий. Габаритные размеры выбираются из стандартного ряда. Выбор размеров нужно выполнять очень тщательно, поскольку малые размеры и жесткие допуски увеличивают стоимость печатной платы. Все ограничения по высоте печатного узла должны быть оговорены и сообщены конструктору, чтобы он мог их учесть при размещении на плате крупногабаритных деталей.

Для того, чтобы оптимально разместить тепловыделяющие и термочувствительные элементы конструктор должен быть проинформирован о конструкции всей аппаратуры в целом, в том числе о применяемом способе охлаждения (конвекция, принудительное воздушное охлаждение и так далее) и способе установки платы в аппаратуре (вертикальное, горизонтальное).

Также необходимо оговорить какие радиоэлементы непосредственно на плате не устанавливаются, например, ручки управления громкостью и тембром, кнопочные выключатели, светодиоды выносятся на переднюю панель, предохранители - на заднюю стенку. Для разъема, установленного на печатной плате, может потребоваться совмещение либо с отверстием в задней стенке, либо с жестко закрепленной приборной ответной гнездовой колодкой.

Часто в плате требуется предусмотреть различные окна, вырезы и прочее. Печатную плату крепят на фиксаторах с помощью специальных отверстий.

Поскольку в данном курсовом проекте изготавливается двусторонняя печатная плата, то необходимо оговорить, что количество проводников, расположенных со стороны установки радиоэлементов по возможности необходимо уменьшать. То есть основной рисунок схемы должен быть с обратной стороны печатной платы.

В печатной плате при пересечении проводников получается электрический контакт. Если он не нужен, необходимо изменять линию проведения одного из проводников, либо один из проводников выполнять на другой стороне платы. Длина проводников должна быть минимальной. Рисунок проводников должен наилучшим способом использовать отведенную для него площадь. Для обеспечения гарантий от повреждения проводников при обработке минимальная ширина проводников должна быть 0,25 мм. При ширине проводника более 3 мм могут возникнуть трудности, связанные с пайкой. Чтобы при пайке не появилось мостиков из припоя, минимальный зазор между проводниками должен быть 0,5 мм.

Для печатных проводников для двусторонней печатной платы допускается плотность тока до 20 А/мм2. Напряжение между проводниками зависит от величины минимального зазора между ними. Для печатных плат, защищенных лаком, значение рабочего напряжения можно выбрать из таблицы 1.

Таблица 1

Зазор, мм

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1

2,5

Uраб, В

50

75

100

125

150

175

200

250

При этих условиях заметного нагрева проводников не происходит.

По плотности рисунка печатные платы делятся на три класса:

1. Характеризуется наименьшей плотностью и точностью изготовления;

2. Характеризуется повышенной плотностью и точностью изготовления;

3. Характеризуется высокой плотностью и точностью изготовления.

Определить класс можно по таблице 2.

Таблица 2

Параметр

Размеры элементов, мм

1

2

3

Расстояние между проводниками, контактными площадками, проводниками и контактными площадками, проводниками и металлизированными отверстиями

0,5

0,25

0,15

Расстояние от края просверленного отверстия (зенковки) до края контактной площадки

0,5

0,25

0,15

Отношения минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы

0,4

0,33

0,33

По первому классу выполняются платы всех размеров, по второму - платы размером не более 240х400 мм, по третьему - платы размером не более 170х170 мм. Толщину печатной платы определяют толщиной выбранного диэлектрика, она лежит в пределах от 0,5 до 3 мм.

Чертежи печатных плат выполняют на бумаге с координатной сеткой и шагом 0,625; 1,25; 2,5 мм. Центры всех отверстий должны располагаться строго в узлах координатной сетки. Допустимые отклонения ±200 мкм для первого класса, ±100 мкм для второго и третьего класса. Для обеспечения свободной установки электрорадиоэлементов и протекания припоя на всю длину металлизированных отверстий диаметры отверстий должны быть больше диаметров выводов примерно на 0,2 мм. Диаметры отверстий выбираются по таблице 3.

 Таблица 3.

Номинальный диаметр отверстий, мм

Монтажные неметаллизированные отверстия

Монтажные и переходные отверстия с металлизацией

Максимальный диаметр выводов навесных электрорадиоэлементов, мм

0,5

0,4

-

0,7

0,6

до 0,4

0,9

0,8

0,5-0,6

1,1

1,0

0,7-0,8

1,6

1,5

0,9-1,3

2,1

2,0

1,4-1,7

Монтажные и переходные металлизированные отверстия следует выполнять без зенковки, но для обеспечения надежного соединения металлизированного отверстия с печатным проводником вокруг него на наружних сторонах печатной платы со стороны фольги делают контактную площадку. Контактные площадки выполняют круглой или прямоугольной формы, а контактные площадки, обозначающие первый вывод активного навесного электрорадиоэлемента выполняют по форме отличной от остальных. Для двусторонней печатной платы возможно уменьшение контактных площадок (при химическом методе) до 2,5 мм2 для первого класса, до 1,6 мм2 для второго класса, до 1,2 мм2 для третьего класса (без учета площади самого отверстия).

Печатные проводники должны выполняться прямоугольной формы параллельно сторонам платы и координатной сетки или под углом 450 к ним. Ширина проводника должна быть одинаковой по всей длине. Расстояние между неизолированными корпусами электрорадиоэлементов, между корпусами и выводами, между выводами соседних электрорадиоэлементов или между выводом и любой токопроводящей деталью следует выбирать с учетом допустимой разностью потенциалов между ними и предусматриваемого теплоотвода, но не менее 1 мм (для изолированных деталей не менее 0,5 мм). Расстояние между корпусом электрорадиоэлементом и краем печатной платы не менее 1 мм, между выводом и краем печатной платы не менее 2 мм, между проводником и краем печатной платы не менее 1 мм.

У электрорадиоэлементов, устанавливаемых на печатную плату, выводы диаметром более 0,7 мм не подгибать. Выводы диаметром менее 0,7 мм следует подгибать и обрезать.

Подготовку, установку (в том числе на клей), пайку интегральных микросхем, микросборок и других электрорадиоэлементов на печатную плату, а также влагозащиту их в составе печатных узлов необходимо производить с учетом требований технических условий на электрорадиоэлементы, ОСТ 11.073.063-81, ОСТ 11.074.011-79, ОСТ 11. 336.907.0-79, ОСТ 11.070.069-81.

Перечисленные выше сведения об элементах дадут возможность конструктору печатной платы разработать топологию печатной платы, определить ее геометрические размеры и координаты крепежных отверстий, оптимально разместить электрорадиоэлементы на плате. Этот чертеж является основой для всех последующих конструкторских работ.

На основе рассмотренных конструктивных требований и ограничений была разработана топология печатной платы.

6. Описание технологического процесса изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом

Позитивный комбинированный способ является основным при изготовлении двусторонних печатных плат. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства. Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах (растворы химического меднения, электролиты и др.) диэлектрическое основание защищено фольгой.

Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом состоит из следующих операций:

Резка заготовок

Пробивка базовых отверстий

Подготовка поверхности заготовок

Нанесение сухого пленочного фоторезиста

Нанесение защитного лака

Сверловка отверстий

Химическое меднение

Снятие защитного лака

Гальваническая затяжка

Электролитическое меднение и нанесение защитного покрытия
ПОС-61

Снятие фоторезиста

Травление печатной платы

Осветление печатной платы

Оплавление печатной платы

Механическая обработка

Далее рассмотрим каждую операцию более подробно.

6.1. Резка заготовок

Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами 1000-1200 мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Для резки фольгированных диэлектриков используют роликовые одноножевые, многоножевые и гильотинные прецизионные ножницы. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50 х 50 до 500 х 900 мм п