4.3 Выбор способа охлаждения блока

Массогабаритные характеристики блока во многом зависят от способа его охлаждения, который в свою очередь должен обеспечить нормальный тепловой режим конструкции.

Выбор системы охлаждения необходимо производить по методике, изложенной в [1]. При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные:

- мощность, потребляемая блоком от источника питания Р = 4 Вт;

- максимальное значение температуры окружающей среды t_с.макс.= + 50° С;

- допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента

t_{эл. мin.} = + 70° С;

- минимальное давление окружающей среды Hc. min = 630 мм. рт. ст.;

- нормальное атмосферное давление H = 760 мм. рт. ст.;

- длина корпуса A = 140 мм;

- ширина корпуса B = 120 мм;

- высота корпуса H = 40 мм;

Тепловой поток рассеивания блока определяется следующим образом:

, (4.5)

где η – коэффициент полезного действия, равный 0,3

Вт

Площадь поверхности теплообмена (корпуса блока) находится:

(4.6)

.

Поправочный коэффициент на давление окружающей среды определяется:

, (4.7)

где H_Cmin – минимальное давление окружающей среды, [мм.рт.ст.];

H – нормальное атмосферное давление, равное 760 [мм.рт.ст.].

Рассчитается поверхностную плотность теплового потока:

, (4.8)

lg P_os = 1,76 Вт/м².

Допустимый перегрев конструкции рассчитывается:

, (4.9)

где t_ЭЛmin – допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента, [⁰ C];

t_Cmax – максимальная температура окружающей среды, [⁰ C].

Значения lgPos и t доп. Представляют собой координаты точки, положение которой на диаграмме [1] соответствует естественному воздушному охлаждению.

4.4 Выбор конструкционных материалов

4.4.1 Выбор материалов для изготовления корпуса

Разрабатываемый блок обеспечивает работу при температуре окружающей среды от минус 10 до плюс 50º C, относительной влажности воздуха до 80 % и температуре окружающей среды 25 ºС, пониженном атмосферном давлении до 2,0кПа (до 15 мм рт. ст.), вибрационных нагрузках в диапазоне частот от 1 до 80Гц с ускорением до 3 g, поэтому следует изготовить детали корпуса из пластика.

Спроектированный корпус блока представляет собой основание. Данное основание возможно изготовить методом литья под давлением. Эта разновидность литья обеспечивает наибольшую точность размеров, высокую плотность отливки, минимальное количество отходов, а так же не высокую шероховатость поверхности.

Корпус можно отливать из легкого алюминиевого сплава, либо из полимерного материала. Корпус, выполненный из легкого алюминиевого сплава, по сравнению с полимерным аналогом, обладает следующими преимуществами:

– высокая прочность;

– высокая теплопроводность;

– высокие экранирующие свойства.

К недостаткам корпуса из легких алюминиевых сплавов можно отнести достаточно высокую температуру плавления сплава, что в свою очередь приводит к высокой энергоемкости производства, а в итоге к высоким затратам на энергоресурсы. К недостаткам, так же можно отнести и более высокую удельную массу алюминиевого сплава по сравнению с полимером, а так же необходимость покрытия корпуса эмалью с целью придания привлекательного внешнего вида изделия.

Принимая во внимание вышеизложенные сравнительные характеристики материалов, а так же учитывая назначение и условия применения изделия, оговоренные в техническом задании, для изготовления основания блока, следует выбрать полимерный материал марки АБС-2020-30 первого сорта ТУ2214–019-00203521-96. Этот материал (акрилонитрилбутадиенстирол), светло-серого цвета обладает высокой ударной прочностью, повышенными деформационными свойствами и теплостойкостью и в оптимальной мере удовлетворяет требованиям технического задания по прочности, термостабильности, коррозионной стойкости, удельной массе и привлекательному внешнему виду.

Для изготовления крышки так же следует использовать полимерный материал АБС-2020-30.

4.4.2 Выбор материала печатной платы

ПП – это элемент конструкции, который состоит из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. При выборе материала для изготовления печатной платы необходимо учитывать то, что этот материал должен обладать достаточной механической прочностью, теплостойкостью, малым удельным весом [5].

Для изготовления двухсторонних печатных плат (ПП) в отечественной промышленности наиболее широко используются стеклотекстолиты марок СФ-2, СФ-2Н, СТФ-2 и другие. При изготовлении двухсторонних печатных плат за рубежом широко используется стеклотекстолит типа FR-4 и его аналоги. Выбор материалов этого типа позволяет по сравнению с отечественными марками стеклотекстолитов заметно снизить процент брака при изготовлении плат высокого класса, так как этот материал имеет более высокую стойкость к климатическим воздействиям и улучшенные диэлектрические параметры.

По всем ключевым параметрам FR-4 существенно превосходит СТФ, однако производство плат из FR-4, как правило, обходится дороже, чем производство из отечественных материалов. Производство плат из материала FR-4 оправдано будет только при крупносерийном производстве.

Рынок ПП, сложившийся у нас в стране, предопределяет выбор материалов (отечественных или импортных) для изготовления ПП. Многое зависит от того, что требуется – дешево или качественно. При этом следует иметь в виду, что:

- при использовании недорогих отечественных стеклотекстолитов при ширине проводников и зазоров между ними менее 0,3 мм большой процент ПП уйдет в брак, что естественно, увеличит стоимость ПП и приблизит к стоимости ПП из импортных материалов;

- при изготовлении ПП отечественные материалы целесообразно применять, если нет повышенных требований к климатическим и частотным характеристикам;

- применение защитных паяльных масок увеличивает стоимость ПП на отечественных материалах, примерно на 30…35 %, а на импортных – на 5 %;

- если стоимость модуля первого уровня (ячейки) превышает стоимость ПП, примерно в 10 раз, желательно использовать импортные материалы;

- подготовка производства ПП на импортных материалов примерно в 2-2,5 раза дороже по сравнению с отечественными, а изготовление 1 дм² – в 1,8-2,2 раза и зависит от объема заказа в 1 дм² или типа производства (опытная, мелкосерийная или массовая) и наличия – отсутствия защитной паяльной маски.

На ПП разрабатываемого модуля требуемая ширина проводников не менее 1,0 мм, а зазор между ними не менее 0,5 мм. Разрабатываемый блок будет эксплуатироваться не в жестких климатических условиях. Электрорадиоэлементы в разрабатываемом блоке применены не дорогие. Следовательно, целесообразно выбрать отечественный материал для изготовления ПП. По всем техническим параметрам подходит материал стеклотекстолит теплостойкий СТФ-2 ГОСТ10316-78. При выборе материала следует учитывать технологию изготовления ПП, в данном случае, учитывая комбинированный способ изготовления, необходима толщина фольги порядка 35 мкм. Необходимо задаться толщиной диэлектрика 1,5 мм, значение которой является достаточным для данного устройства.

4.4.3 Выбор метода изготовления печатных плат

Выбор метода изготовления должен быть осуществлен с учетом технологических возможностей предприятия-изготовителя. Учитывая, что плата двусторонняя и имеет металлизированные отверстия, для ее изготовления необходимо использовать хорошо освоенный на предприятии метод – комбинированный позитивный. Он позволяет изготовить плату третьего класса точности.

4.4.4 Выбор способа пайки

Так как ПП модуля радиоприемной части небольшого размера выбираем ручную пайку для элементов, устанавливаемых в отверстия, припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76 с температурой плавления +190 ⁰С и флюсом ФКСп ОСТ 4 ГО.033.200-82.

4.4.6 Определение класса точности печатной платы

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

ГОСТ Р 53429-2009 предусматривает семь классов точности печатных плат, и в конструкторской документации на печатную плату должно содержаться указание на соответствующий класс, который обусловлен уровнем технологического оснащения производства. Поэтому выбор класса точности всегда связан с конкретным производством. Печатные платы 3-гo класса - наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой — для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное, оборудование.

Ввиду высокой плотности размещения ЭРЭ на плате в отдельных местах значения основных параметров достигают третьего класса точности согласно ГОСТ Р 53429-2009. Следовательно, плате необходимо присвоить третий класс точности.

4.5 Расчет элементов проводящего рисунка платы

4.5.1 Расчет диаметров отверстий

Диаметр монтажного металлизированного отверстия должен быть больше диаметра вывода на величину, удовлетворяющей условиям пайки и автоматизированной сборки. Он определяется по формуле

(4.10)

где – максимальное значение диаметра вывода ЭРЭ, устанавливаемого на ПП (для прямоугольного вывода за диаметр принимается диагональ его сечения);

– разность (гарантированный зазор) между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого ЭРЭ.

Гарантированный зазор выбирают в пределах (0,1…0,4) мм при ручной установке ЭРЭ и в пределах (0,4…0,5) мм – при автоматической установке. При изготовлении печатного узла предусмотрена ручная сборка.

Расчет выполняется в таблице 4.3. Окончательные диаметры отверстий получаются округлением в сторону увеличения до значений, предусмотренных ГОСТ 10317-79.

Таблица 4.3 – Расчет диаметров монтажных отверстий на плате

Наименование ЭРЭ	Диаметр вывода, мм	Расчет диаметра монтажных отверстий по (4.3)	Окончательный диаметр, мм
Конденсаторы Светодиод Резонатор	0,5	0,5+0,15+0,15=0,8	0,9
Микросхема	0,56	0,56+0,1+0,1=0,76	0,9
Резисторы Конденсаторы Разъемы	0,6	0,6+0,15+0,15=0,9	0,9
Микросхема	0,64*0,2	0,8+0,15+0,15=1,1	1,3
Микросхема	0,56	0,56+0,1+0,1=0,76	0,9
Диоды	1,0	1,0+0,15+0,15=1,3	1,6
Реле	1,5	1,5+0,25+0,25=2,0	2,2

4.5.2 Расчет минимальных расстояний на плате

Выбирается расстояние от края платы до элементов печатного рисунка Q₁. Данное расстояние должно быть не менее толщины платы, поэтому Q₁ = 1,5 мм.

Далее рассчитываются минимальные расстояния от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка Q₂. Данное расстояние определяется по формуле:

(4.12)

где q – толщина ореола, скола, в зависимости от толщины материала основания и класса точности, принимается q=1 мм;

k – наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка, принимается k = 0,3 мм;

T_d – позиционный допуск расположения осей отверстий, T_d принимается равным 0,1 мм (в зависимости от размера платы и класса точности);

T_D – позиционный допуск расположения центров контактных площадок, T_D принимается равным 0,2 мм (в зависимости от размера, типа платы и класса точности);

Δt_в.о. – верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции (ширины печатного проводника), принимается Δt_в.о.= 0,25 мм.

Следует округлить

4.5.8.3 Расчет ширины печатных проводников

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника определяется по формуле:

(4.13)

где t_{min D} – минимально допустимая ширина проводника в зависимости от допустимой токовой нагрузки или допустимого падения напряжения на проводнике;

Δt_н.о. – нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника.

Минимально допустимую ширину проводника с учетом допустимого падения напряжения на нем определяется по формуле:

(4.14)

где I_max – максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

l – максимально допустимая длина проводника;

ρ_i и h_i – удельное объемное сопротивление и толщина i-го слоя проводника;

U_доп – допускаемое падение напряжения на проводнике.

Далее выполняется расчет по формулам (4.13) и (4.14) с учетом того, что максимально допустимое падение напряжения для схемы узла равно 10 В, проводник имеет два слоя (медь толщиной 35 мкм и олово толщиной 15 мкм):

Полученное значение ширины проводников меньше номинального значения для третьего класса точности, поэтому минимальную ширину проводников примем равной 0,25 мм.

4.5.8.4 Расчет диаметра контактных площадок

Наименьшее номинальное значение диаметра контактных площадок (ДКП):

(4.15)

где Δd_в.о. – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

b – гарантийный поясок (b=0,1 мм);

d_тр – величина подтравливания, для односторонних и двусторонних печатных плат d_тр = 0;

Δt_в.о. – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

Δt_н.о. – нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

Расчет выполняется в таблице 4.4. Окончательные значения ДКП получаются округлением в сторону увеличения до десятых долей миллиметра.

Таблица 4.4 – Расчет диаметров контактных площадок

Диаметр монтажного отверстия, мм	Расчет ДКП по формуле (4.15)	Окончательное значение ДКП, мм
1,3	1,3+0+2∙0,1+0,15+0,24=1,89	2,0
0,9	0,9+0+2∙0,1+0,15+0,24=1,49	1,5
1,6	1,6+0+2∙0,1+0,15+0,24=2,19	2,3
2,2	2,2+0+2∙0,1+0,15+0,24=2,79	3,0

4.5.8.5 Расчет минимального расстояния между проводниками

Определяется расстояние между проводниками. Наименьшее номинальное расстояние между двумя проводниками определяется по формуле:

(4.14)

где S_{min D} – минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;

T_i – позиционный допуск расположения печатных проводников.

4.6 Описание конструкции блока ИК-управления

Рассмотрим конструкцию блока ИК-управления по сборочному чертежу, представленному в графической части курсового проекта.

Блок выполнен в виде автономного прибора, в состав которого входит модуль управления, на котором расположены все элементы устройства.

Модуль управления (поз.1) устанавливается на бобышки в корпусе, и крепится с помощью винтов (поз.10).

В крышке (поз.3) имеются отверстия для вывода индикаторов на лицевую поверхность устройства, а сзади корпуса (поз.2) имеются отверстия для вывода кабелей для подсоединения с внешними электрическими приборами.

Крышка (поз.3) к корпусу крепится при помощи винтов (поз.12).

Корпус блока получился с габаритами 140х120х40.