Курсовая работа: Разработка модуля контроля полноты заряда аккумуляторных батарей

8.2 Компоновочный расчет блока

Исходными данными для этого расчета являются перечень элементов схемы электрической принципиальной, необходимые типоразмеры и установочные размеры элементов.

При исполнении устройства применяется корпус размером 129х194х35 мм.

Численные значения установочных объемов элементов приведем в виде таблицы 8.2.

Таблица 8.2. Установочные объемы элементов

Итак, согласно таблице 8.2 суммарный установочный объем всех элементов составляет:

Коэффициент заполнения по объему (kз) из конструктивных соображений принимается равным 0,4.

Ориентировочно определяем реальный объем разрабатываемой конструкции по формуле 8.2:

(8.2)

VРЕАЛ =

Окончательные габариты корпуса остаются прежними, то есть: 129х194х35 (мм).

8.3 Расчет элементов печатного монтажа

Выбирая конструкцию печатной платы, рассчитывая параметры линий связи и подготавливая технологическое оборудование для изготовления печатных плат, мы должны определить такие параметры печатной платы, как ширина и шаг трассировки печатных проводников; диаметр контактных площадок; число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями; диаметр отверстий в плате до и после металлизации.

При расчете печатной платы необходимо учитывать и особенности производства, допуски на всевозможные отклонения параметров элементов печатного монтажа, установочные характеристики корпусов ЭРЭ. Точности выполнения элементов конструкции проектируемая печатная плата относится к 3-му классу точности. Для печатных плат этого класса точности характерны следующие минимальные значения основных параметров:

- ширина печатного проводника ;

- расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка ;

- толщина печатной платы составляет .

Рассмотрим расчет элементов проводящего рисунка с учетом технологии изготовления печатной платы. Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизированных и не металлизированных должны соответствовать ГОСТ 10317_79. Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0 мм, а переходных отверстий - из ряда 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1 мм.

Номинальное значение диаметра отверстия:

(8.3)

где - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатную плату;

- разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента, ;

- нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия, .

В силу того, что на печатной плате разрабатываемого устройства устанавливаются элементы с различным диаметром выводов, нам необходимо произвести расчет номинального значения диаметра отверстия для таких выводов. Так, для микросхем, транзисторов , конденсаторов, устанавливаемых на плате максимальный диаметр выводов составляет 0,8 мм; для клемников, мощных транзисторов, кнопок, реле -1,2 мм.

Подставив данные о диаметрах выводов элементов в формулу 8.3 получим,

Номинальное значение ширины проводника в миллиметрах рассчитывается по формуле:

(8.4)

где - минимально допустимая ширина проводника;

- нижнее предельное отклонение ширины проводника,

Подставив данные в формулу 8.4 получим:

.

Номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка в миллиметрах определяют по формуле:

(8.5)

где - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;

- верхнее предельное отклонение ширины проводника,

В результате подстановки данных в формулу 8.5, получим:

.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения .

Центры монтажных и переходных отверстий на печатной плате располагают в соответствии с ГОСТ 10317_79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки

Предельное отклонение значения номинального расстояния между центрами двух отверстий печатной платы определяется как полусумма позиционных допусков расположения этих отверстий.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно его номинального положения .

Расчет минимального диаметра контактной площадки производится по формуле:

(8.6)

где - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

- гарантийный поясок наружного слоя (принимается равным ).

В результате подстановки данных в формулу 8.6, получим:

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами D1 и D2 производят по формуле:

(8.7)

где - количество проводников;

- допуск, учитываемый при n > 0.

Подставив данные в формулу 8.7, получим:

Диаметр монтажных отверстий после металлизации, мм, приближенно можно оценить по формуле:

(8.8)

При этом диаметр сверления отверстия под металлизацию, мм:

(8.9)

8.4 Расчет механической прочности печатной платы

Для того чтобы проверить насколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий, необходимо провести расчеты собственных частот вибраций, а затем подобрать соответствующие виброизоляторы.

Так как блок управления барабаном и кареткой предполагается использовать без виброизоляторов, то в этом случае платы являются единственной колебательной системой.

Жесткость плат зависит от материала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.

Печатная платы разрабатываемого устройства изготовлена из стеклотекстолита марки СФ2-35-1,5. Она имеет прямоугольную форму (рис. 8.1) следующих размеров: aЧb =125х190 мм.

Рисунок 8.1. Графическое изображение печатной платы

Расчет собственной частоты колебания плат позволяет подобрать основные параметры их конструкции, исключающие возможности появления резонанса. При расчете платы ее представляют в виде тонкой пластины, так как отношение толщины платы к наименьшему из двух размеров меньше, чем 1:10.

При расчете платы-пластины принимают следующие упрощения:

толщина платы постоянна;

ЭРЭ на плате располагаются равномерно на ее поверхности;

изгибные деформации при колебаниях малы, по сравнению с толщиной, упругие деформации подчиняются закону Гука;

материал пластины идеально упругий, однородный и изотропный.

“нейтральный” слой при поперечных колебаниях не подвержен деформациям растяжения (сжатия);

Для данного способа закрепления платы, поправочный коэффициент, учитывающий способ закрепления равен:

(8.10)

где а - длина большей стороны,

b - длина меньшей стороны.

Цилиндрическая жесткость платы равна:

(8.11)

где Е - модуль упругости материала платы Е =3,021010 Н/м2;

h - толщина печатной платы, h = 1,510-3 м;

г - коэффициент Пуассона для материала платы, = 0,22.

Распределенная по площади масса платы и ЭРЭ:

(8.12)

где с - удельная плотность материала платы, = 2,05103 кг/м3;

mЭ - масса элементов, mЭ = 0,1133.

Определим частоту собственных колебаний плат:

(8.13)

В результате механических воздействий, печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенности при возникновении механического резонанса, чаще всего усталостные отказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений, нарушения контактов в разъемах. Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечить разные частоты собственных колебаний платы и корпуса.

При вибрациях на относительно низких частотах f <400 Гц наиболее опасными являются амплитуды поперечных колебаний: происходит разрушение выводов в местах пайки. На сравнительно высоких частотах f > 400 Гц виброскорости вызывают в элементах усталостные явления. Для предупреждения таких отказов при функционировании электронного устройства надо выполнить условия: амплитуда изгибных колебаний не должна превышать ? 310-4 м, а виброскорость ? 0,8 мс-1.

Как упругая пластина ПП может подвергнуться усталостному разрушению при действии циклических нагрузок, в особенности при резонансе. В результате нарушаются контактные соединения в разъемах, разрушаются пленочные проводники, места пайки и т.д. Подобные отказы в работе РЭС в какой-то мере можно избежать, выполнив условие (8.19) и обеспечив тем самым достаточную усталостную долговечность платы в вибрационном поле:

(8.14)

где f0 - минимальная частота собственных колебаний платы;

nbmax - максимальные вибрационные перегрузки , выраженные в единицах g;

g - ускорение свободного падения. Так как применение устройства в условиях высокогорья не предполагается, то принимаем g = 9,81 м/с2;

- безразмерная постоянная, выбираемая в зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

Следовательно, условие выполняется: 630 Гц >343 Гц

Амплитуда изгибных колебаний по формуле:

(8.15)

где nb - максимальные вибрационные перегрузки, выраженные в единицах g;

f0 - минимальная частота собственных колебаний платы.

Условия (8.14) и (8.15) выполняются (497 Гц >343 Гц). Следовательно, проектируемая печатная плата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.

8.5 Расчет электромагнитной совместимости

В радиоэлектронных изделиях печатные проводники, электрически объединяющие те или иные элементы схемы, проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые размеры сечения. При большом времени переключения и малых тактовых частотах параметры печатных проводников, соединяющие вводы одних элементов со входами других, не оказывают существенного воздействия на быстродействие всей схемы в целом и на помехоустойчивость элементов.

С уменьшением времени переключения (в микроэлектронных изделиях оно составляет единицы наносекунд) большое значение имеют степени влияния линий связи (сопротивления, емкости, индуктивности и т.д.) друг на друга (паразитная емкость, взаимоиндуктивность и т.д.). Постоянный ток в печатных проводниках распределяется равномерно по его сечению при условии, что материал проводника однороден и не имеет локальных посторонних включений других веществ.

Рассчитаем сопротивление проводника по формуле:

R=ln/(btn),

где - удельное объемное электрическое сопротивление проводника,

= 0,0175 мкОм/м - для медных проводников, полученных методом химического травления.

ln - длинна проводника, мм.

b - ширина проводника, мм.

tn - толщина проводника, мкм

R=0,017531/(0,835)=0,019 Ом

Рассчитаем допустимый ток в печатном проводнике:

Imax=10-3 доп btn,

где доп - допустимая плотность тока, доп=30 А/мм2 для проводников, полученных методом химического травления.

Imax=10-3 30 0,835=0,84 мА,

Далее найдем паразитные емкости и индуктивности печатного монтажа в наиболее критических местах печатной платы (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2. Фрагмент печатной платы