2.2.2 Расчёт делителя напряжения для lm2576

Для обеспечения нужного выходного напряжения, используется делитель напряжения, состоящий из резисторов R6, R7.

Рисунок 6 - Схема включения LM2576

Расчёт делителя напряжения для микросхемы DD1 производится по следующей формуле:

Uвых.= 1.25 * ( 1 + R6 / R7 ) (2)

Рассчитываем делитель для выходного напряжения 5В:

1.25 * ( 1 + 20кОм / 2,7кОм) = 5.01В

Получаем сопротивления R6 = 20 кОм и R7 = 2,7кОм , при этом напряжение на выходе будет равным 5В.

Вид сверху и структурная схема микросхемы LM2576 представлены на рисунках 7 и 8.

Рисунок 7 - Вид сверху LM2576

Назначение выводов:

1: V_IN – Входное напряжение

2: Output – Выходное напряжение.

3: GND – Общий вывод.

4: FB – Вывод обратной связи.

5: ON/OFF – Включение/выключение.

Структурная схема:

Рисунок 8 - Структурная схема LM2576

Перечень элементов представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Обозначение	Тип	Номинал	Количество
DA1	Линейный регулятор	LM317	1
DD1	DC/DC импульсный конвертер	LM2576	1
VT1	Биполярный транзистор	BC857	1
VD1-VD4	Диод	M7	4
VD5, VD6	Диод	15MQ040N	2
С1, С3	Электролитический конденсатор	100 мкФ 16 В	2
С2	Конденсатор	100 нФ	1
С4	Электролитический конденсатор	1000 мкФ 16 В	1
R1, R2	Резистор	1.5 кОм	2
R3	Резистор	10 Ом	1
R4	Резистор	1 кОм	1
R5	Резистор	6.2 Ом	1
R6	Подстроечный резистор	20 кОм	1
R7	Резистор	2.7 кОм	1
Tr1	Трансформатор		1
HL1	Светодиод	BL-L519EGW	1
L1	Катушка индуктивности	68 мкГн	1
GB1	АКБ		1
Х1, Х2	Разъем		2

2.2.3 Расчет надежности

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности устройства по известным характеристикам компонентов, составляющих схему.

Интенсивность отказов всего устройства  рассчитывается по формуле:

_n

= ∑ _{i ,} (3)

ⁱ⁼¹

n – число компонентов,

_i - номинальная интенсивность отказов одного компонента (из справочника)

Рассчитываем _I для каждой группы компонентов:

• Аккумулятор: ₁ = ₀₁ · n= 7,2 · 10^-6 ·1 = 7,2· 10^-6 1/ч

• Диоды: ₂ = ₀₂ · n= 0,2 · 10^-6 ·1 = 0,2· 10^-6 1/ч

• Конденсаторы керамические: ₃= ₀₃ · n= 0,016 · 10^-6 ·4 =0,064· 10^-6 1/ч

• Конденсаторы электролитические: ₄= ₀₄ · n= 0,015 · 10^-6 ·2 =0,03· 10^-6 1/ч

• Катушки индуктивности: ₅ = ₀₅ · n= 0,02 · 10^-6 ·1 = 0,02· 10^-6 1/ч

• Микросхемы: ₆ = ₀₆ · n= 0,8· 10^-6 ·2 = 1,6· 10^-6 1/ч

• Плата печатная: ₇ = ₀₇ · n= 0,07· 10^-6 ·1 = 0,7 · 10^-6 1/ч

• Провода соединительные: ₈ = ₀₈ · n= 0,015 · 10^-6 ·4 = 0,06 · 10^-6 1/ч

• Пайка монтажа: ₉ = ₀₉ · n= 0,01 · 10^-6 ·70 = 0,7· 10^-6 1/ч

• Переключатели: ₁₀ = ₁₀ · n= 0,5 · 10^-6 ·1 = 0,5· 10^-6 1/ч

• Резисторы пленочные: ₁₁ = ₁₁ · n= 0,03 · 10^-6 ·7 = 0,21 · 10^-6 1/ч

• Разъемы: ₁₂ = ₁₂ · n= 0,01 · 10^-6 ·2= 0,02· 10^-6 1/ч

• Светодиоды: ₁₃ = ₁₃ · n= 0,2 · 10^-6 ·3 = 0,6· 10^-6 1/ч

Для всего устройства интенсивность отказов составит:

 = (₁ + ₂ +₃ +₄ +₅ +₆ +₇+ ₈ +₉ +₁₀ +₁₁ +₁₂+₁₃) · 10^-6 = (7,2 + 0,2 + 0,064 + 0,03 + 0,02 + 1,6+ 0,7+ 0,06 + 0,7+ 0,5+ 0,21+ 0,02+ 0,6) · 10^-6 = 11,904 · 10^-6 1/ч

Среднее время наработки на отказ определяется по формуле:

Тср = 1/ ч

Для устройства в целом среднее время наработки на отказ составит:

Тср = 1/ = 1/(2,085 · 10^-6) ч = 84 053 ч

Изготовление устройства

Использование средств САПР при проектировании РЭС позволяет перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью персональных компьютеров (ПК). И более того, с помощью ПК возможно осуществление цикла сквозного проектирования, который включает в себя:

- синтез структуры и принципиальной схемы РТС;

- анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов, проведение параметрической оптимизации;

- синтез топологии, включая размещение элементов на плате и разводку межсоединений;

- верификацию (проверку) топологии;

- выпуск конструкторской документации.

Задачи структурного синтеза решаются с помощью узкоспециализированных программ, ориентированных на устройства определенного типа, создано, например, большое количество программ синтеза согласующих цепей, аналоговых и цифровых фильтров. Наибольшие достижения в построении программ структурного синтеза и синтеза принципиальных схем имеются в области проектирования цифровых устройств. Структура и принципиальная схема большинства устройств в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. Поэтому обычно первоначальный вариант схемы составляется инженером "вручную" с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ.

Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей. Пакеты программ САПР способны решать сложнейшие задачи моделирования РЭС, таких как источники питания, усилители, преобразователи сигналов и другие. Результатами моделирования являются режимы по постоянному току, осциллограммы сигналов, частотные и спектральные характеристики и даже температуры элементов. По своим возможностям программы моделирования могут даже превосходить измерительные приборы, например, они позволяют наблюдать осциллограммы токов и мощностей в элементах без внесения в устройство измерительных резисторов. Полученные результаты могут помочь выявить причины возможных или реальных неисправностей в устройстве, найти пути улучшения его качества. Использование программ моделирования позволяет проанализировать большое коли чество различных вариантов схемотехнического решения и выбрать из них наилучший, не потратив на это ни одного радиоэлемента.

Топология печатной платы разрабатывается после завершения схемотехнического моделирования. На этом этапе проектирования осуществляется размещение элементов на ПП и трассировка соединений. Наиболее успешно разрабатываются ПП цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования, коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов автоматизированного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии. Кроме того, достаточно сложно формализовать многочисленные дополнительные требования к аналоговым устройствам, например, требование электромагнитной совместимости компонентов.

Заключительным этапом разработки является верификация топологии. На нем проверяется соблюдение технологических норм, соответствие топологии принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции.

В настоящее время существует несколько пакетов прикладных программ САПР, позволяющих автоматизировать каждую из стадий проектирования РЭС. При выборе САПР необходимо учитывать возможность прямой передачи результатов, полученных на одной стадии проектирования, на следующую стадию.

Трассировка печатной платы с использованием лучевого алгоритма

Трассировка с использованием другого эвристического алгоритма – лучевого – показана на рисунке 3. При использовании этого алгоритма между соединяемыми точками А (5, 3) и В (4, 8) проводится луч. Основное направление (0) выбирается из начальной точки вдоль большей стороны прямоугольника, диагональю которого является луч (АВ). При переходе к следующей точке монтажного пространства определяется направление трассы, минимально отличающейся от направления луча. При необходимости обхода препятствий, образованных занятыми позициями, учитываются указанные на диаграмме приоритеты (нумерация направлений), начиная с нулевого. После проведения соединения (или в случае неудачного соединения), направление меняется на противоположное (ВА). Соответственно меняется и приоритет направлений. Из полученных соединений выбирается оптимальное. На рисунке 3 штриховой линией отмечен оптимальный путь (его длина в два раза меньше первого), проложенный при проведении луча от В к А, т.е. в обратном направлении.

Обычно с помощью лучевого алгоритма удается провести до 80% трасс, а более сложные по конфигурации неразведенные трассы проводят с помощью волнового алгоритма или вручную.

В связи с тем, что ни один из известных алгоритмов не гарантирует полной трассировки при автоматизированном проектировании, считается целесообразным, чтобы в развитых системах автоматизированного конструкторского проектирования было несколько различных программ трассировки и имелась возможность их совместного использования при решении одной задачи. Оставшиеся непроложенными после трассировки соединения дорабатываются конструкторами вручную или в диалоговом режиме взаимодействия с ЭВМ.

Трасса выбирается таким образом, чтобы минимизировать совокупный показатель, характеризующий качество трассы по используемым критериям.

Рисунок 9 - Трассировка соединений лучевым алгоритмом

при наличии препятствий

Процесс изготовления печатной платы

Выбран метод изготовления печатной платы с помощью пленочного фоторезиста.

Для работы мне понадобятся следующие материалы и инструменты:

1. Фольгированный стеклотекстолит

2. Пленочный фоторезист

3. Небольшая иголка

4. Кальцинированная сода

5. Хлорное железо

6. Ультрафиолетовая лампа на стандартный патрон 220V

7. Пленка для струйного принтера

8. Компьютер, струйный принтер, программа для разводки печатных плат

9. Стирательная резинка

10. Наждачная бумага

11. Ножницы

12. Цапонлак

13. Ацетон

14. Дихлорэтан

15. Пластиковая емкость

Первый шаг создания печатной платы вполне очевиден: необходимо создать схему того, что будет на плате. Для разводки печатной платы была применена специальная программа KiKad. Данная программа позволяет наносить на плату контакты, SMD-контакты, проводники, полигоны, текст и так далее. Контактные площадки могут быть выбраны из широкого набора.

Пользуясь принципиальной схемой, расставляю детали. После расстановки всех радиоэлементов, необходимо соединить нужные компоненты между собой согласно схеме.

Конечный результат изображен на рисунке 9.

Рисунок 10 - Фотошаблон печатной платы автоматического зарядного устройства

Далее в программе KiKad нажимаем на кнопку печати, и открывается окно для вывода на печать. Так как фоторезист негативный (белые области на черном поле) то необходимо поставить соответствующую галочку напротив опции «негатив», и отключить ненужные при печати слои. Также следует поставить галочку напротив опции «зеркально» так как пленка для струйного принтера имеет только одну рабочую сторону и этой стороной необходимо будет прикладывать впоследствии к заготовке, для того чтобы увеличить контрастность и исключить боковую засветку. Теперь вставляем пленку в принтер матовой стороной и печатаем наш фотошаблон. После того как напечатали, откладываем в сторону на 10 минут, чтобы дать ему просохнуть. Пока сохнет наш фотошаблон, займемся подготовкой стеклотекстолита и нанесем на него фоторезист. Из заготовленного ранее стеклотекстолита вырезаем нужных размеров кусочек с припуском примерно 3-5 мм, больше с каждого края, чем размеры нашей будущей платы. Берем стирательную резинку и тщательно проходимся по всей поверхности фольгированного стеклотекстолита, затем берем наждачную бумагу «нулевку» и также зачищаем поверхность стеклотекстолита. Это необходимо для того, чтобы убрать все отпечатки пальцев, грязь и прочее, а также обеспечить хорошее прилегание пленочного фоторезиста. После того как прошлись по стеклотекстолиту стирательной резинкой и наждачной бумагой, сдуваем все оставшиеся после этого пылинки и остатки ластика. Промывать все это ацетоном или каким-то растворителем нельзя, не ляжет фоторезист, поэтому проходимся чистенькой тряпочкой смоченной в изопропиловом спирте. Не касаясь очищенной поверхности заготовки руками, (допускается держание за торцы) кладем на стол и отрезаем ножницами кусок фоторезиста. После того как отрезали, берем иголку, и с матовой стороны подцепляем матовую пленку и сдвигаем ее примерно на 0,5 сантиметра при этом пальцами не касаясь клеевого слоя на самом фоторезисте. Удерживая кусочек снятой пленки пальцами, прикладываем его на край заготовки из стеклотекстолита и разравниваем пальцами с умеренным давлением для того, что бы пленка прилипла, как следует. После того как пленка прилипла к краю, пальцы правой руки помещаем с правой стороны под пленку, на тот кусочек матовой пленки, что снимали вначале. Теперь, не спеша, правой рукой примерно по 2-3 мм вытаскиваем матовую пленку, одновременно пальцами левой руки прижимая и разравнивая ее по поверхности фольги. Торопиться тут не нужно, так как чем лучше придавите, тем лучше она ляжет на поверхность фольги стеклотекстолита. После того как пригладили всю пленку, излишки обрезаем и получаем стеклотекстолит, покрытый пленочным фоторезистом. Но так как с одной стороны фольгированного стеклотекстолита находится пленочный фоторезист, а с другой стороны ничего нет, при травлении платы в растворе хлорного железа незащищенный слой будет удален. Для того чтобы избежать этого, покрываем незащищенный слой стеклотекстолита цапонлаком и оставляем нашу плату сохнуть в течении одного часа.

Пока мы занимались подготовкой стеклотекстолита и нанесением на него пленочного фоторезиста, наш фотошаблон, который мы приготовили ранее, напечатали на пленке и оставили сушить, подсох. Так что берем ножницы и вырезаем его. Затем требуется увеличить контрастность тонера на фотошаблоне. Для этого возьмем небольшую банку, и на крышку, с помощью капли воды наклеим фотошаблон, а в банку нальем немного дихлорэтана. Теперь герметично закрываем банку и оставляем её на 4 минуты, не допуская попадания дихлорэтана на фотошаблон. По истечению 4 минут, достаем фотошаблон и держим не менее 10 минут на воздухе для того, чтобы из тонера вышли пары дихлорэтана. Фотошаблон готов. Плотность тонера стала значительно выше первоначальной.

Теперь у нас все готово для начала экспонирования фоторезиста через шаблон.

Берем ультрафиолетовую лампу на 30Вт, и закрепляем её над столом на расстоянии 25см. Под лампу кладем стеклотекстолит с нанесенным на него пленочным фоторезистом, а сверху, с помощью кали воды, приклеиваем пленку с напечатанным шаблоном, той стороной, на которой печатали к фоторезисту. После этого включаем лампу на 4 минуты. Пока наша лампа будет светить в течение 4 минут и формировать нашу плату, пойдем в ванну и приготовим раствор для проявления фоторезиста. В пластиковую посуду подходящего размера, куда поместиться плата, наливаем 0,25 литра воды, так же кладем одну чайную ложку кальцинированной соды. После чего тщательно, до растворения всех комочков, размешиваем ее в воде. После того, как вся сода растворилась, дожидаемся окончания экспонирования, как помним, раньше оно у нас было 4 минуты. Как только время вышло, снимаем наш фотошаблон. Берем плату и идем в ванную, при этом, не забыв захватить с собой иголку. Придя в ванную, иголкой аккуратно подцепляем вторую (прозрачную) пленку и снимаем ее. После того как сняли вторую пленку, кладем плату в пластиковую ёмкость с разведенной содой и ждем примерно 30 секунд. По истечении этого времени, рисунок начинает проявляться, видны будущие дорожки, и в тех местах, где дорожек быть не должно, фоторезист растворяется. Теперь берем зубную щетку и начинаем ей водить по нашей плате для того, что бы ускорить процесс смывания фоторезиста с ненужных нам участков.

Показатель того, что фоторезист смылся там, где нужно, поверхность меди светлая и блестящая, как и до приклеивания фоторезиста. После того, как смыли весь ненужный фоторезист и оставили нужный, вытаскиваем плату из раствора соды и промываем под струей воды. Делается это для того, чтобы смыть с поверхности платы проявляющий раствор. После того, как промыли под струей воды, откладываем в сторону, и выливаем ненужный нам проявляющий раствор. Теперь наливаем в другую пластиковую емкость раствор хлорного железа (200мл теплой воды и 150г хлорного железа в порошке) и помещаем туда плату на 10 минут. После того как протравили, вынимаем, снова промываем под струей воды, на этот раз для того, что бы смыть остатки хлорного железа. Теперь остается убрать остатки фоторезиста на дорожках. Для этого берем ватку, смачиваем в ацетоне и протираем всю поверхность платы. Примерно через 1-2 минуты фоторезист смывается. Промываем плату под проточной водой с мылом.

Следующий шаг это лужение и сверление платы.

Поверхности платы покрываются кисточкой жидким канифольным флюсом. Лужение производится луженной экранной оплеткой. Предварительно оплетка пропитывается канифолью и в небольшом количестве припоем. Далее оплетка прижимается к поверхности дорожки паяльником и медленно равномерно проводится по длине дорожки. После того как все дорожки на всех сторонах обработаны, производится промывка платы изопропиловым спиртом. Промывка ацетоном нежелательна, так как припой с ацетоном дает со временем токопроводящее химическое соединение в виде белого налета по краям площадок и дорожек, а при достаточной плотности монтажа есть опасность ненужных гальванических связей. После промывки проводится сверление. В плате сверлю отверстия диаметром 0.6мм для переходных отверстий и 2 мм для крепления платы. Можно сверлить плату и по бумаге. Это несколько ускоряет изготовление, однако в случае необходимости рисунок не будет трудно использовать во второй раз, не гарантируется также точность расположения отверстий и аккуратность исполнения.

Для сверления плат удобно пользоваться миниатюрной электродрелью. Окончив сверление, заусенцы с краев отверстий снимают сверлом большего диаметра, мелкозернистым бруском или мелкой наждачной шкуркой.