Устройство управления радиорелейной станцией

Аннотация Целью дипломной работы было создать устройство управления радиорелейной станцией, отвечающей новейшим требованиям военной аппаратуры. Данная станция, помехозащищённая и уникальна тем, что способна работать в боевых условиях при наличии радиопротиводействия противника. В проделанной работе были рассмотрены вопросы: разработка и анализ схемы электрической принципиальной. Выбор и обоснование элементной базы. Обоснование конструкции устройства. Выбор материалов для изготовления печатного узла и способ изготовления платы. Были проведены следующие расчеты: Расчет параметров печатных проводников. Расчет электрических параметров. Также было проведено моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т. Результатом проделанной работы стало устройство отвечающее новейшим требованиям военной аппаратуры и конкурентопригодное на рынке.

печатный плата управление проводник

1. Обоснование необходимости создания помехозащищённой радиорелейной аппаратуры и её назначения

2. Специальная часть

2.1 Анализ схемы электрической принципиальной

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Конструкторско-технологические требования

3.2 Обоснование конструкции устройства

3.2.1 Обоснование исполнения печатного узла

3.2.2 Обоснование исполнения корпуса

3.3 Выбор материалов для изготовления печатного узла и способ изготовления платы

3.3.1 Выбор класса точности

3.3.2 Выбор метода нанесения рисунка

3.3.3 Выбор метода изготовления

3.3.4 Выбор материала основания

3.3.5 Подготовка поверхности печатной платы

3.3.6 Получение монтажных и переходных отверстий

3.3.7 Металлизация печатной платы

3.4 Межсоединения

3.4.1 Технологический процесс пайки

3.4.2 Флюс

3.4.3 Припой

3.4.4 Защитное покрытие

3.5 Расчет параметров печатных проводников

3.5.1 Расчет диаметра монтажных отверстий и контактных площадок

3.5.2 Расчет ширины проводников

3.5.3 Расчет расстояния между двумя проводниками

3.6 Расчет электрических параметров

3.6.1 Емкость в печатном монтаже

3.6.2 Расчет индуктивности печатных проводников

3.6.3 Взаимная индуктивность печатных проводников

3.7 Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т

4. Разработка конструкторских мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости

5. Разработка мероприятий по защите компонентов и узлов от воздействия статического электричества на этапе сборки и настройки аппаратуры

6. Выбор и обоснование технологического процесса пайки при сборке печатного узла

7. Охрана труда

7.1 Защита ПК от электромагнитных воздействий

8. Экологическая часть

8.1 Переход на бессвинцовую пайку

9. Экономическая часть

9.1 Расчёт себестоимости продукции

Заключение

Введение

Станция является унифицированным цифровым тропосферно — радиорелейным средством связи и предназначена для организации линий и сетей радиосвязи различного уровня. Она позволяет создавать принципиально новые системы связи, решающие задачи как тропосферной, радиорелейной (система «точка-точка»), так и радиально — узловой связи (система «точкамноготочка») единым образом.

Станция представляет собой малогабаритную, помехозащищённую, высокомобильную станцию, позволяющую обеспечить передачу информации со скоростью передачи от 64 до 512 кбит/с на расстояния до 150 км.

Принципы построения станции основаны на применении временного разделения дуплексных сигналов (принцип полудуплексной работы системы) и частотного разделения каналов при многоканальной работе. В радиально — узловых линиях частотные каналы используются для разделения направлений связи. При этом обеспечивается гибкое использование частотного ресурса в зависимости от вида устанавливаемой связи, протяжённости интервалов, требования по помехозащите, количества передаваемой информации. Наличие широкополосной системы связи с независимыми частотами позволяет расширить возможности станции и сделать ее универсальной. Так данную станцию можно использовать как:

· тропосферную радиально-узловую, передавая параллельно на одной (оптимальной) из частот информацию для каждой из М абонентских станций;

· радиорелейную, в этом случае параллельная работа на М частотах позволяет повысить общую скорость передачи информации в радиорелейной линии.

Станция обеспечивает:

· Работу в диапазоне частот 4400 — 5000 ГГц;

· Рабочая полоса частот 30 МГц;

· Работу в режиме прямой видимости при наличии мачт её обеспечивающих;

· Передачу цифровой информации со скоростями: 64, 128 (2×64), 512 (8×64) кбит/с в режиме «загоризонтной» связи с использованием эффекта дальнего тропосферного рассеивания или эффекта дифракции радиоволн на интервалах до 150 км с вероятностью ошибки 10^-4 и надёжностью не хуже 95% на линии «точка — точка»;

· Работу в системе радиально — узловой связи с центральной станцией («точка — многоточка»);

· Защиту канала связи от радиопомех путем адаптации спектра излучаемого сигнала к помеховой обстановке. Эта задача решается за счет применения принципа многочастотной работы (случайной перестройки частоты) в сочетании с методом помехоустойчивого кодирования и перемежения;

· Адаптацию сигнала на передаче к условиям распространения радиоволн;

· Организацию цифровых каналов служебной связи, канала телеуправления и телесигнализации;

· управление режимами работы и контроль состояния качества связи с персонального компьютера. Изменение режимов работы и конфигурации радиолинии не требует изменения аппаратуры и достигается программным изменением режима работы.

1. Обоснование необходимости создания помехозащищённой радиорелейной аппаратуры и её назначение Одной из важнейших составляющих системы связи Вооруженных сил Российской федерации является сеть радиорелейной связи.

В настоящее время в войсках связи Вооруженных Сил Российской федерации на снабжении находится третье поколение отечественных средств радиорелейной связи военного назначения, которые разрабатывались в 80-х годах прошлого столетия.

К недостаткам существующих средств военной радиорелейной связи относятся:

— низкая надежность связи в условиях радиопомех;

— большие габариты и энергопотребление и, как следствие, большое количество транспортных средств, отсутствие автоматизированных антенно-мачтовых устройств (АМУ);

— низкие характеристики по электромагнитной совместимости;

— отсутствие унификации радиорелейных станций по системам управления и недостаточная эффективность систем функционального контроля и диагностики.

Необходимо отметить, что в настоящее время в промышленности ведутся опытно-конструкторские работы по созданию комплекса технических средств связи. Кроме того, на рынке средств радиорелейной связи отечественные производители предлагают ряд разноплановых радиорелейных станций (Р169-РРС, серия ЦРРС МИКРАН, РРС РАДИАН, ЦС Рисса и т. д.).

Однако в ТТЗ на разработку этих комплексов не задавались тактико-технические требования, удовлетворяющие современным требованиям систем управления войсками.

К ним относятся:

— отсутствие современных методов по обеспечению требуемой помехозащищённости и разведзащищённости;

— недостаточный уровень автоматизации процессов развертывания АМУ, установления, ведения связи и управления, как радиорелейными станциями, так и создаваемыми на их основе линиями связи;

— отсутствие эффективных решений по обеспечению безопасности связи при ведении служебных переговоров обслуживающим персоналом.

Анализ практического использования современных радиорелейных средств в условиях вооружённых конфликтов в различных регионах мира показывает, что на первый план выходят такие показатели станций как энергетическая скрытность и помехозащищенность связи. После обнаружения факта работы радиолинии следует пеленгация радиоизлучающих средств, определение их координат и, как правило, их огневое уничтожение, если радиоизлучающие средства находятся в пределах досягаемости артиллерии или авиации. В других случаях радиосредства могут быть подавлены системами радиопротиводействия, которые в настоящее время и в перспективе обладают большим энергетическим потенциалом с эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) более 60 дБВт.

Низкий уровень отечественных средств военной радиорелейной связи особенно заметен при сравнении с зарубежными военными радиорелейными станциями, в частности, находящимися на снабжение европейских стран, входящих в блок НАТО. К ним относятся, в частности, станции MH3013 (MARCONI), RL434A (Kongsberg), GRC-408, GRC-2000C (Tadiran Communication) и др. По имеющимся материалам, данные радиорелейные станции характеризуются следующими особенностями:

— возможностью работы в сложной электромагнитной обстановке за счет высоких характеристик по ЭМС и помехозащищенности (режим ППРЧ не менее 5000 скачков частоты в секунду, расширение спектра, помехоустойчивое кодирование и перемежение, работа в диапазоне скоростей 16 — 8448 кбит/с);

— использование цифровых методов передачи и обработки информации;

— автоматизация средств управления и контроля, наличие многопротокольных интерфейсов, аппаратуры засекречивания и т. д.;

— возможность организации связи на больших расстояниях (до 200 км.) со скоростью передачи информации до 2048 кбит/с при использовании режима загоризонтной связи.

Таким образом, в отечественной промышленности назрел вопрос создания скрытных и помехозащищённых средств связи, способных принять вызов времени.

В ряду таких систем стоит и аппаратура радиорелейной связи сантиметрового диапазона, предназначенная для работы в комплексах ПВО.

Следует отметить, что технические решения, использованные в данной работе, распространяются на станции целого ряда диапазонов частот, что позволит в дальнейшем создавать семейство помехозащищённых станций военного назначения различных диапазонов частот.

Процесс развития перспективных средств связи позволяет определить передовые технологии, без которых невозможно создание новых образцов техники связи.

К таким технологиям можно отнести создание высокоэффективных приемопередающих устройств на основе:

— широкополосной работы станции при быстрой псевдослучайной перестройке рабочей частоты в любой выбранной полосе частот вплоть до перестройки во всём диапазоне частот;

— увеличения помехозащищённости системы связи путём уменьшения скорости передачи информации;

— автоматической регулировки мощности передатчика с точностью 1 дБ в диапазоне 50 дБ, обеспечивающей работу на минимальной мощности для увеличения скрытности передачи;

— реализации режима частотной адаптации, которая обеспечивается наличием анализатора помеховой обстановки и выбора алгоритма маневрирования рабочей частоты;

— применения устройств кодирования и перемежения, повышающих помехозащищенность в условиях воздействия импульсных помех;

— использования антенн с большим подавлением боковых и задних лепестков;

— применения устройств преселекции приемного устройства без увеличения коэффициента шума приемника;

— управления станцией, интервалом, линией и сетью связи на основе унифицированных протоколов, обеспечивающих поддержку сетевого и транспортного уровня;

— использования стандартных интерфейсов;

— улучшения эксплуатационных характеристик в части создания необслуживаемых станций, упрощения процесса развёртывания и наведения антенн;

— использования режима работы на интервалах при отсутствии прямой видимости (загоризонтная связь);

— введения режима конфиденциальности передачи информации.

Развитие современной элементной базы позволяет создать унифицированные перепрограммируемые устройства (модемы, мультиплексоры, устройства, реализующие интерфейс станции, и пр.), которые могут иметь широкое применение в различных средствах связи.

Учитывая сказанное, создание перспективной станции с высокой степенью скрытности и помехозащищённости является актуальной задачей.

Назначение Помехозащищённая станция предназначена для работы в боевых условиях при наличии радиопротиводействия противника.

Общая характеристика Разведзащищённость достигается комплексом мер:

· наличием автоматической регулировки мощности, позволяющей вести работу на минимально возможной мощности, достаточной для обеспечения допустимого уровня ошибок;

· псевдослучайной перестройкой частоты, обеспечивающей минимально-возможную спектральную плотность излучаемого сигнала;

· применением антенных систем с низким уровнем боковых и задних лепестков диаграммы направленности;

· применением устройства автоматического наведения на корреспондента с использованием сигналов ГЛОНАС.

Помехозащищенность достигается:

· применением быстрой псевдослучайной перестройкой частоты в широком диапазоне частот, существенно снижающей эффективность сосредоточенной (прицельной) помехи противника;

· использованием помехоустойчивых кодов с перемежением;

· применением усилителей с повышенной выходной мощностью;

· применением устройств преселекции приемного устройства;

· применением антенных систем с низким уровнем боковых и задних лепестков диаграммы направленности.

Станция должна работать совместно с несколькими однотипными радиостанциями в одном и том же диапазоне частот в режиме псевдослучайной перестройки частоты с синхронизацией работы радиосредств. В станции должна обеспечиваться конфиденциальность передаваемой информации.

2. Специальная часть

2.1 Анализ схемы электрической принципиальной Технические характеристики Напряжение питания устройства +12 В.

Ток потребление не более 120 мА.

Размер печатной платы 130 Х 80

Устройство управления предназначено для организации обмена информацией между блоком управления и выносными модулями станции. Устройство обеспечивает прием и выдачу последовательной информации по входам Upr A inf и Upr B inf, по стандарту RS-485 (обмен между блоками), выдачу команд управления и прием сигналов состояния уровнями КМОП (внутриблочный обмен в блоках). Устройство имеет канал сопряжения с персональным компьютером по стандарту RS-232. Устройство управления, имеющееся в каждом блоке управления, осуществляет передачу, прием и ретрансляцию информации линейной телесигнализации, обеспечивает связь с блоками данной станции и пультом оператора для передачи информации о состоянии станции и всей радиолинии.

Управление станцией осуществляется с пульта оператора станции от PC. Агентами управления являются блоки станции. В каждом из этих блоков встроено программное обеспечение на базе микроконтроллера AТXmega128A1 фирмы Atmel. Информационный обмен между блоками осуществляется по интерфейсу RS-485 (канал КУ). Обмен информацией между блоками производится пакетами. Скорость передачи в пакете 115,2 Кбит/с. Обмен производится каждый цикл работы станции (10 мс).

С пультом оператора (РС) связь станции производится через блок доступа по интерфейсу USB. C пульта оператора вводятся установочные данные при изменении параметров станции и режимов ее работы. На пульт оператора поступают сигналы состояния отдельных частей станции и данные, характеризующие динамическое состояние радиоканала.

Организация связи со специализированным выносным пультом оператора осуществляется по последовательному интерфейсу по стандарту RS485.

Устройство управления формирует цикловый импульс на частоте 100 Гц. Этот импульс используется в станции для синхронизации системы управления микроконтроллеров блоков. Цикловые импульсы, формируемые в блоке доступа, поступают на внешние блоки станции по отдельному интерфейсу RS-485.

По каналу ЛТС осуществляется передача команд управления и сигналов состояния всех станций радиолинии, для дальнейшей передачи информации по линии связи или передачи ее на пульт управления.

Посылка ЛТС формируется при организации цикла группового непрерывного информационного сигнала в устройстве управления. Скорость передачи в канале ЛТС — 1,6 кбит/с.Обмен информацией по каналу ЛТС производится пакетами по принципу запрос — ответ.

На устройство управления пакеты ЛТС приходят с двух направлений связи и от пульта управления «своей» станции. Пакеты содержат номер станции получателя.

Алгоритм маршрутизации состоит в следующем.

Для пакетов, поступающих с направления связи:

Если номер станции в пакете совпадает с номером «своей» станции, микроконтроллер берет пакет на обработку, а дальнейшее продвижение пакета по каналу ЛТС прекращается.

В противном случае, пакет ретранслируется по каналу ЛТС в том же направлении.

Для пакетов, поступающих от пульта управления:

Если номер станции в пакете совпадает с номером «своей» станции, микроконтроллер берет пакет на обработку и не передает его в канал ЛТС.

В противном случае, пакет передается по каналу ЛТС в оба направления.

Одновременно микроконтроллер обеспечивает отсутствие столкновений пакетов в канале ЛТС путем задержки передачи очередного пакета, если канал занят (ведение «очереди»)

2.2 Выбор и обоснование элементной базы Микросхема ATXmega128-AU является микроконтроллером общего назначения. Микроконтроллер ATXMEGA128A1-AU работает при напряжении питания от 1.6 В до 3.6 В, имеет низкое энергопотребление. Производительность микроконтроллера достигает 32 MIPS на тактовой частоте 32 МГц. Микроконтроллер ATXmega128-AU имеет контроллер прямого доступа в память, контроллер многоуровневых прерываний, поддерживающий приоритеты прерываний и немаскируемые прерывания.

Основные параметры микроконтроллера ATXmega128-AU приведены в таблице.

Микроконтроллеры AVR XMEGA поддерживаются основными средствами разработок для AVR-контроллеров.

Понижающий DC-DC преобразователь MAX5033AASA семейства MAXPower (STU) преобразует поступающее напряжение питания +12 В в напряжение питания +3,3 В, необходимое для питания логических микросхем.

Отличительные особенности:

широкий диапазон входного напряжения: от 7.5 до 76 В;

фиксированное (3,3 В) выходное напряжение;

максимальный выходной ток 500 мА;

КПД до 94%;

внутренняя частотная коррекция;

фиксированная частота переключений 125 кГц;

защита от перегрева и КЗ;

8 выводной SO корпус.

Супервизор ADM6321AW31ARJ (SV) осуществляет контроль за напряжением питания +3,3 В. При понижении напряжения питания до +3,08 B супервизор выдает сигнал сброса RESET на микроконтроллер.

Отличительные особенности:

— сигнал RESET возникает при понижении напряжения питания ниже заданного порогового уровня — 3,08 В;

— активный уровень сигнала RESET — лог.0;

— время удержания сигнала RESET при восстановлении напряжения питания 1,6 мсек;

— минимальный период подачи импульса на вход WDI — 6,3 мсек;

— минимальный длительность импульса на вход WDI — 50 нсек.

Основные параметры микросхемы приведены в таблице.

Микросхема MAX3078EESA является преобразователем RS485 / TTL. Скорость передачи до 2.5 Mbps. Микросхема может передавать и принимать сигналы в полудуплексном режиме. Микросхемы установлены в каналах обмена информацией с устройствами управления блоков и в канале приема циклового импульса.

Микросхема MAX3480AEPI является преобразователем TTL/RS485 с опторазвязкой. Микросхема может передавать и принимать сигналы в полудуплексном режиме, выходы, А и В оптоизолированы. Управление производится по последовательному интерфейсу по стандарту RS-485 в дуплексном режиме. Микросхема MAX3480 работает только в режиме передатчика, т. е. через выходы УпрA ANT и УпрB ANT выдается посылка ТУ для блоков. Микросхема MAX3078 является преобразователем RS485/TTL. Микросхема MAX3078 может передавать и принимать сигналы в полудуплексном режиме. В этом функциональном узле устройства управления УУБД микросхема MAX3078 работает только в режиме приемника. Принятая из канала, со входов УпрY ANT и УпрZ ANT, посылка ТС в стандарте RS485 преобразовывается микросхемой MAX3078 в сигнал с уровнями ТТЛ и через оптрон микросхемы MAX3480 выдается в интерфейс UARTF4 микроконтроллера.

Микросхема FT232R является конвертером USB-RS232 выполненным на основе USB — UART контроллера FT232R. Микросхема установлена в канале обмена информацией с пультом управления. Обмен информацией с ПУ осуществляется по последовательной шине USB. Обмен информацией производится через интерфейс USARTE1 микроконтроллера. Максимальная скорость обмена данными — 3 Мбит/с. Микросхема имеет энергонезависимую память для хранения настроек режима работы, встроенный тактовый генератор. Каждая микросхема имеет уникальный идентификатор. Вместе со встроенной EEPROM это дает возможность создать аппаратные ключи для защиты от несанкционированного доступа.

Микросхема 74LVC04AD представляет собой шесть ТЛ2 триггеров.

Отличительные особенности:

— диапазон напряжения питания от 1,65 — 5,5 В;

— стандартные КМОП входные и выходные уровни сигналов;

Vih = 2 B; Vil = 0,8 B; Voh = 2,4 B; Vol = 0,4 B;

— выходной ток нагрузки низкого и высокого уровней до 24 мА;

— тактовая частота до 150 МГц.

Шина внутриблочного обмена ВБО предназначена для приема и передачи информации предназначенной для линии телесигнализации и канала КУИ. Для организации шины используется параллельная шина внешней памяти микроконтроллера ATXmega128. Информационный обмен по шине ВБО осуществляется побайтно. Инициатором обмена является микроконтроллер устройства управления. Устройства блока содержат в своем составе порты ввода/вывода, к которым микроконтроллер имеет доступ с помощью шины ВБО. В состав шины входят следующие цепи (сигналы):

— A/D0…A/D7 — мультиплексированная шина адрес/данные

— A8, A9 — старший байт адреса

— ALE1 — строб адреса

— CS0 — выборка кристалла

— WT — строб записи

— RD — строб чтения Все перечисленные сигналы имеют уровни ТТЛ. В цепях данных и адреса логической единице соответствует высокий уровень сигнала. Для сигналов записи (WT) и чтения (RD) активным является низкий уровень. Цепи A/D0…A/D7 являются двунаправленными. В устройстве управления эти цепи «привязаны» к источнику +3,3 В через резисторы 10 кОм. Остальные цепи являются однонаправленными.

В схеме задействованы толстопленочные бескорпусные ЧИП резисторы типа PH1−12. Резисторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Номинальная мощность 0,125 Вт (тип 0805). Диапазон номинальных сопротивлений: ряд Е24 (5%). Рабочее напряжение — 200 В.

Чип конденсаторы керамические предназначены для использования в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Конденсаторы для поверхностного монтажа.

Диапазон номинальных значений емкости — 10 нФ … 22 мкФ.

Точность — + 20%.

Рабочее напряжение — 6,3 В; 50 В.

Типоразмер — 0402 …1812.

Чип конденсаторы танталовые предназначены для использования в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Конденсаторы для поверхностного монтажа.

Диапазон номинальных значений емкости — 0,15 … 220 мкФ.

Точность — + 10%, + 20%.

Рабочее напряжение — 4 В … 35 В.

Тип корпуса — A, B, C, D.

В схеме использованы светоизлучающие светодиоды KB-170R фирмы Kingbright для поверхностного монтажа.

Прямое напряжение — 2,6 В.

Прямой ток — 20 мА.

Цвет свечения — красный.

Типоразмер — 0805.

В схеме использована силовая индуктивность для поверхностного монтажа. Используется в DC-DC конверторах, в источниках питания. Дроссель SDR0805

Диапазон номинальных значений — 1,5 … 470 мкГн.

Диапазон рабочих частот — 1 … 120 МГц.

Диапазон рабочих токов — 0,08 мА … 6 А.

Типоразмер — 0805.

В схеме использован микроминиатюрный кварцевый резонатор HC49S с 2 выводами под пайку. Используется в DC-DC конверторах, в источниках питания.

Диапазон рабочих частот — 13 000 … 20 000 кГц.

Микроминиатюрный корпус (лодочка).

печатный плата управление проводник

3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Конструкторско-технологические требования

— Тип производства — серийное.

— Климатический факторы внешней среды:

Устройство управления предназначено для работы при температурах от -50^ОС до +60^ОС. Относительная влажность до 80% при температуре +25^ОС. В режиме хранения при температуре от -10^ОС до +30^ОС и влажности до 80%.

— Для защиты от внешних воздействий устройство управления находится в корпусе;

— Номинальный режим работы — постоянно;

— Устройство управления, для обеспечения серийного производства с наименьшими затратами, должно быть реализована на печатной плате. Печатная плата должна соответствовать:

1) ГОСТ Р 50 621−93 (МЭК 326−4-80). Платы печатные однои двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические требования.

2) ГОСТ Р 50 622−93 (МЭК 326−5-80). Платы печатные двусторонние с металлизированными отверстиями. Общие технические требования.

3) ГОСТ 23 751–86. Платы печатные. Параметры конструкции.

4) ГОСТ 10 317–79. Платы печатные. Основные размеры.

— Средний срок службы — 10 лет.

3.2 Обоснование конструкции устройства Разработка конструкции устройства управления происходит на основании анализа схемы электрической принципиальной, а так же на основании требований технического задания. Разработка конструкции устройства включает в себя следующие элементы:

— Выбор и обоснование способов компоновки ЭРЭ;

— Способ монтажа;

— Выбор и обоснование стандартизованных деталей, флюсов, припоев для монтажа;

— Выбор способов защиты от статического электричества, а так же электромагнитная совместимость устройства.

При выборе способа компоновки и монтажа ЭРЭ следует учитывать положение ТЗ о серийном производстве устройства. Следовательно, при разработке конструкции устройства необходимо учитывать, что оно будет производиться в большом количестве в условиях оснащенного современным оборудованием и технологиями производстве.

Современные предприятия по производству радиоэлектронной аппаратуры имеют технологически линии для осуществления каждой операции на стадии производства РЭА:

— Линии для производства печатных узлов и деталей;

— Линии для нанесения защитных покрытий;

— Линии для изготовления корпусов изделий;

— Сборочные линии;

— Линии контроля качества и испытания РЭА.

3.2.1 Обоснование исполнения печатного узла

Устройство управления реализовано на двусторонней печатной плате. Печатная плата представляет собой электроизоляционную плату с контактными площадками и отверстиями, для установки электрорадиоэлеменов, а так же соединяющих их, соответственно электрической принципиально схеме, системе проводников и металлизированных отверстий, служащих межслойными соединениями.

3.2.2 Обоснование исполнения корпуса

Печатный узел необходимо установить в корпус.

Корпус должен иметь прямоугольную форму размерами 140×90×20 мм. Корпус состоит из двух частей, соединяющихся между собой четырьмя винтами по углам печатного узла. В верхнем торце находится отверстие размером 62×5 мм для вывода контактов ПУ для соединения с антеной. В Нижнем торце находится отверстие размером 51×5 мм под информационный канал. В правом торце находится отверстие размером 26×5 мм для связи с персональным компьютером и переносным пультом управления. В левом торце находится отверстие размером 23.8×10.2 мм для разъёма питания и отверстие размером 15×13.5 мм для программируемого канала.

Материалом корпуса служит ABS-пластик. Он представляет собой ударопрочную техническую термопластическую смолу на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. К плюсам данного материала можно отнести повышенную ударопрочность и эластичность, нетоксичность, долговечность, широкий диапазон эксплуатационный температур (от -40^ОС до +90^ОС). Данный вид пластика широко применяется для изготовления корпусов радиоаппаратуры и другой бытовой техники.

3.3 Выбор материалов для изготовления печатного узла и способ изготовления платы

Для изготовления устройства управления используется двусторонняя печатная плата (ДПП) с металлизированными отверстиями.

Форма платы — прямоугольная пластина габаритами 120×90 мм

Исходя из требований ТЗ и в соответствии с ГОСТ Р50 621−93, ГОСТ 23 751–86 и ГОСТ 10 317–79, ОСТ 4.010.022−85 принимаем следующие требования к плате:

ѕ класс точности платы — 3;

ѕ группа жесткости — 3;

ѕ шаг координатной сетки — 1.25мм.

3.3.1 Выбор класса точности

ГОСТ 23 751–86 устанавливает пять классов точности печатных плат. Классы точности печатной платы определяется по минимальным предельным отклонениям на размеры и расположение печатных проводников и контактных площадок. В соответствии с предъявляемыми техническими требованиями подходит класс точности 3. В таблице 3.1 приведены параметры данного класса точности:

Таблица 3.1

3.3.2 Выбор метода нанесения рисунка

Существуют три метода нанесения рисунка на печатную плату: сеткографический метод, фотопечать и офсетная печать. Сеткографический метод основании на нанесении специальной краски путем продавливания ее через сетчатый трафарет ракелем. Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя, который в свою очередь переносится на поверхность основания печатной платы. Метод фотопечати состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое фоторезистом.

Для данного устройства используется метод фотопечати, так как он соответствует 3 классу точности и имеем самую высокую точность (± 0.05 мм) и плотность монтажа.

3.3.3 Выбор метода изготовления

Существует четыре метода изготовления печатных плат: субтрактивный, аддитивный, полуаддитивный и комбинированный. Субтрактивный метод представляет собой перенос стойкой к травлению пленки с рисунком печатных проводников на фольгированную основу, а затем химическое травление незащищенных пленкой мест. Аддитивный метод предполагает использования нефольгированного основания, на которое наносится токопроводящий рисунок. Полуаддитивные методы схожи с аддитивными, за исключением использования электрохимических (гальванических) методов металлизации, вместо неустойчивых процессов толстослойной химической металлизации (ТХМ). Комбинированные методы объединяют в себя все приемы изготовления печатных плат, необходимые для изготовления печатных проводников и металлизированных отверстий.

Для изготовления Устройства управления наилучшим образом подходит комбинированный позитивный метод изготовления, так как он позволяет без труда изготовить двустороннюю печатную плату с металлизированными отверстиями.

Схема комбинированного позитивного метода изготовления двухсторонних печатных плат с металлизированными отверстиями:

1. Нарезка технологических заготовок;

2. Очистка поверхности фольги;

3. Сверление отверстий, подлежащих металлизации, на станках с ЧПУ;

4. Активация поверхности под химическую металлизацию;

5. Тонкая химическая металлизация (до 1 мкм);

6. Предварительная тонкая гальваническая металлизация (до 6 мкм);

7. Нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон — позитив;

8. Основная гальваническая металлизация (до 25 мкм внутри отверстий);

9. Нанесение металлорезиста;

10. Удаление экспонированного фоторезиста;

11. Травление обнаженных участков фольги;

12. Удаление металлорезиста;

13. Нанесение контактных покрытий на концевые печатные ламели;

14. Тщательная отмывка платы, сушка;

15. Нанесение паяльной маски;

16. Нанесение финишных покрытий под пайку;

17. Нанесение маркировочных знаков;

18. Обрезка платы по контуру;

19. Электрическое тестирование;

20. Приемка платы.

Преимуществами данного метода являются возможность воспроизведение с высокой степенью разрешения различных типов печатных элементов, хорошая надежность изоляции, а так же высокая прочность сцепления металлических элементов платы с диэлектрическим основанием.

3.3.4 Выбор материала основания

Выбор материала основания для печатного узла зависит от многих критериев, таких как тип диэлектрического основания, толщине основания, толщине фольги, типу фольги, количеству металлизированных сторон и т. д. Устройство управления реализуется на двусторонней печатной плате. Устройство работает на высоких частотах при довольно больших токах токах. Для этих целей подходит двусторонний фольгированный стеклотекстолит СФ-2Н-50Г ГОСТ 10 316–78. Данный тип стеклотекстолита имеет толщину 2.5 мм и толщину фольги 50 мкм.

3.3.5 Подготовка поверхности печатной платы

Подготовка поверхности и отверстий заготовок ПП осуществляется с целью:

- Удаления заусенцев, смолы механических частиц из отверстий после сверления;

— Получения равномерной шероховатости поверхности;

— Активирования поверхности перед химическим меднением;

— Удаление пыли, грязи, мелких царапин, оксидов, масляных пятен и пр.

Существуют следующие способы подготовки поверхности и отверстий печатных плат: механический, химический, комбинированный, электрохимический, плазменное травление, ультразвуковой и др. В крупносерийном и массовом производстве используют механическую подготовку поверхности ПП. Она производится на линиях конвейерного типа с дисковыми щетками, на которые подается абразивная суспензия. В качестве абразива используется карбид кремния и оксид алюминия.

Для промывки отверстий диаметром более 0.5 мм применяется струйная промывка, а для отверстий диаметром менее 0.5 используется фонтанная.

3.3.6 Получение монтажных и переходных отверстий

В производстве печатных плат применяются следующие способы получение монтажных и переходных отверстий: механический, пробивка, лазерное сверление, фотолитография, воздействия плазмы.

Диагностическая плата находится в серийном производстве и на ней присутствую монтажные и переходные отверстия с металлизацией, поэтому следует применить сверление.

3.3.7 Металлизация печатной платы

Металлизация печатной платы осуществляется для получения токопроводящих участков ПП. Для получения металлических покрытий в производстве применяют: химическую металлизацию, гальваническую металлизацию, магнетронное, ионно-плазменное и другие способы напыления.

Для получения подслоя меди на стенках монтажных и переходных отверстий, чтобы сделать их диэлектрические поверхности токопроводящими, применяется химическое меднение.

3.4 Межсоединения

На печатной плате межсоединения осуществляются при помощи печатных проводников. Электрические соединения между печатными проводниками и радиоэлементами осуществляется при помощи пайки.

3.4.1 Технологический процесс пайки

Так как в устройстве используется как монтаж в отверстия, так и поверхностный монтаж элементов, то следует применять пайку волной.

В процессе пайки волной печатную плату устанавливают на конвейер и последовательное проходят через несколько рабочих зон паяльной установки: зону флюсования, предварительный нагрев, зона пайки.

Преимущество пайки волной:

ѕ Это непрерывный процесс, позволяющий достичь высокой производительности;

ѕ Быстрый перенос тепла делает данную технологию хорошо доходящей для пайки печатных плат с металлизированными отверстиями;

ѕ Позволяет паять печатные платы с достаточно высокой плотностью монтажа.

Флюс удаляет оксидные пленки с паяемой поверхности, улучшает смачивающую способность припоя и предотвращает окисление до начала пайки. Распыление флюса осуществляется при помощи вращающегося сетчатого барабана, в котором поток сжатого воздуха, пропущенный через сетку, создает мелкодисперсионную струю жидкого флюса. Слой наносимого флюса должен быть равномерным и иметь толщину 1−10 мкм в сухом состоянии. Зона флюсования оканчивается устройством «воздушного ножа», который служит для удаления избытка флюса с поверхности печатной платы.

Следующей технологической зоной является зона предварительного нагрева. Предварительный нагрев служит для предотвращения теплового удара печатной платы и электрорадиоэлементов в результате контакта с волной горячего припоя, сушки и активации флюса. Нагрев осуществоляется инфракрасными модулями с различной длинной волны, кварцевыми нагревателями и конвекционными системами.

Далее конвейер с печатной платой проходит в зону пайки, где в ванне с помощью помпы формируется волна расплавленного припоя. ПП устанавливается либо на лепестки конвейера, либо крепится в паллетах. Конвейер обладает возможностью изменять скорость движения и угла наклона ПП по отношению к волне (5−9^о). Изменение угла наклона печатной платы важно для обеспечения стекания остатков припоя.

Рис. 3. Двойная волна припоя. Первая волна — турбулентная. Вторая волна — ламинарная.

Так как в изделии используется смешанный монтаж, следует применять «двойную» волну припоя (Рис. 3). В этом способе первая волна является узкой, она подается из сопла под большим давлением и имеет турбулентный характер. Она обеспечивает смачивание выводов ЭРЭ и исключает формирование полостей с газообразными включениями, оставшимися от разложения флюса. Вторая волна — ламинарная. Они имеет более низкую скорость истечения. Эта волна разрушает перемычки, образованные первой волной, и завершает формирование паяных соединений. Пример температурного профиля пайки двойной волной приведен на Рис. 4.

Рис. 4. Пример температурного профиля для бессвинцовой пайки двойной волной.

3.4.2 Флюс

Флюс используется для очистки окисленной поверхности, подлежащей пайке, улучшает растекание припоя по металлу. Для данного изделия можно применить флюс ЛТИ-120. Это раствор канифоли в этиловом спирте с добавлением активаторов (диэтиламин солянокислотный, триэтиломин).

3.4.3 Припой

Припой применяется для соединения деталей и узлов при пайке. Припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем паяемые материалы. Одной из важнейших характеристик, от которой зависит прочность соединения и способ пайки является температура плавления припоя. Чем более тугоплавок припой, тем выше прочность паяного соединения. Припой должен хорошо смачивать соединяемые материалы, иметь хорошую текучесть и образовывать плотные коррозионно-стойкие соединения.

Для пайки устройства следует применить припой ПОС-61 (ГОСТ 2193−76). Он подходит для пайки волной припоя. Данный припой применяется для пайки ЭРЭ, которые чувствительны к перегреву. Припой ПОС-61 имеет температуру плавления 190^оС. При данной температуре не происходит перегрева элементов.

3.4.4 Защитное покрытие

После монтажа ЭРЭ печатную плату следует покрыть защитным покрытием от воздействия внешних воздействующих факторов и для создания электроизоляционного покрытия.

Для этой цели подходит лак УР-231ВТУ ГИПИ-4 № 366−62. Этот лак предназначен для коррозионной защиты печатных узлов всеклиматического исполнения, эксплуатируемых при температурах от -60 до +120 ^ОС, а так же для создания защитного электроизоляционного покрытия.

Покрытие платы лаком происходит в два этапа:

— По завершению травления ПП. При этом этапе контактные площадки от покрытия лаком следует предохранить;

— После сборки печатного узла.

Для маркировки следует применять эмали ЭП-72, ЭП-5155, либо АС-5307.

3.5 Расчет параметров печатных проводников

Технические характеристики:

— Напряжение питания: +3.3 В;

— Ток потребления: 100 мА;

— Размер печатной платы: 140×90 мм;

— Класс точности: 3;

— Двусторонняя печатная плата;

— Метод изготовления: комбинированный позитивный метод;

— Метод нанесения рисунка: фотопечать.

3.5.1 Расчет диаметра монтажных отверстий и контактных площадок

Рассчитаем номинальный диаметр отверстий по формуле:

Где: — нижнее отклонение. (Для 3-го класса точности с не металлизированными отверстиями составляет 0.05);

ѕ - разница между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением вывода (для ручной установки ЭРИ в пределах 0.1.0.4 мм);

ѕ максимальное значение диаметра вывода ЭРИ.

Отсюда: d = d_Э + 0.2

Диаметр контактной площадки рассчитывается в соответствии с классом точности печатной платы:

где: верхнее предельное отклонение диаметра отверстия (для 3-го класса точности 0.05 и отверстия < 1мм);

ѕ гарантийный поясок (для 3-го класса точности 0.1);

_ѕ величина подтравливания диэлектрика в отверстии (для двусторонней печатной платы = 0);

ѕ и верхнее и нижнее предельное отклонения ширины проводника (для 3 класса точности 0.05);

_ѕ позиционный допуск расположения осей монтажного отверстия (для 3 класса точности 0.15);

ѕ позиционный допуск расположения центра КП (для 3 класса точности 0.25).

Следовательно: D = d + 0,6

Таблица 3.2

По ГОСТ 10 317–72 диаметры отверстий не могут быть 0.45 mm, 035 mm На чертеже они будут округлены в большую сторону.

3.5.2 Расчет ширины проводников

Ширина проводника зависит от электрических, конструктивных и технологических требований.

Рассчитаем наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника по формуле:

где: — минимальная допустимая ширина проводника, рассчитываемая в зависимости от допустимой токовой нагрузки;

— нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника. Для 3 класса точности ПП составляет 0.05 мм.

Минимальную допустимую ширину проводника по постоянному току можно определить по допустимой плотности тока j_доп:

где: — минимальная допустимая ширина проводника;

ѕ - максимальная плотность тока для печатных проводников;

ѕ h — толщина печатного проводника.

Для комбинированного позитивного метода изготовления примем = 100 А/мм^2.

— 0.1 А Для материала платы СФ-2Н-50Г толщина печатного проводника составляет h = 0.05 мм.

Получаем:

Отсюда наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника составляет:

Расчеты показали что, наименьшее значение ширины проводника меньше допустимой по классу точности. По ГОСТ 23 751–86 для 3 класса точности примем толщину проводника 0.25 мм.

3.5.3 Расчет расстояния между двумя проводниками

Рассчитаем наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка по формуле:

Где: минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка (при U? 25 В S_{min D} = 0.1 мм);

ѕ позиционный допуск расположения печатных проводников. Для плат 3 класса точности составляет 0.05 мм;

ѕ верхнее предельное отклонение ширины проводника. Для плат 3 класса точности составляет 0.05 мм.

Следовательно:

S = 0.175 мм.

3.6 Расчет электрических параметров

3.6.1 Емкость в печатном монтаже

Рассчитаем ёмкость между двумя проводниками по формуле:

где: — эффективная диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов;

_ѕ — безразмерная величина, определяющая емкость на единицу длины рассчитываемой системы проводников;

ѕ - длина системы проводников, м.

Для двусторонних печатных плат при определении эффективной диэлектрической проницаемости необходимо учитывать диэлектрическую проницаемость для воздуха (₁ = 1) и для основания платы (для стеклотекстолита ₂ = 5,6).

В случае с устройством управления наибольшая емкость будет возникать между двумя проводниками на одной стороне печатной платы и между проводником и землей.

Расчет емкости между двумя проводниками:

Рис. 5. Емкость между двумя проводниками

и ,

где и. К и К' - это полные эллиптические интегралы, определяемые по справочным таблицам (Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике, М., «Наука», 1974, стр. 80.).

Модуль эллиптического интеграла 1 рода

t = 0.25мм Расчет емкости между проводником и землей:

Рис. 6. Емкость между проводником и землей Модуль эллиптического интеграла 1 рода

t = 0.25мм Из рассчётных емкостей можно сделать вывод, что межпроводниковая емкость слишком мала, что бы оказывать влияния на функционирование устройства, поэтому ею можно принебречь.

3.6.2 Расчет индуктивности печатных проводников

Расчет индуктивности для прямолинейного уединенного проводника:

Рис. 7. Прямолинейный уединенный проводник Рассчитаем индуктивность по формуле:

Где l — длина проводника.

Расчет индуктивности для двухпроводной печатной линии:

Рис. 8. Двухпроводная печатная линия Расчет индуктивности для печатного проводника вблизи земляной поверхности:

Рис. 8. Печатный проводник вблизи земляной поверхности

3.6.3 Взаимная индуктивность печатных проводников

Расчет взаимной индуктивности для печатных проводников:

Рис. 9. Проводники без экранизирующей плоскости

Взаимная индуктивность рассчитывается по формуле:

Из полученных расчетов мы видим, что максимальные значения паразитных индуктивностей печатных проводников и взаимных индуктивностей проводников довольно таки малы, и они не окажут влияния на выходные параметры платы, следовательно ими можно пренебречь.

3.7 Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т Исходные данные для расчета В качестве исходных данных для расчета используются следующие данные:

1. Размеры корпуса 140×90×20 мм

2. Размеры печатного узла 140×90мм

3. Материал корпуса — фторопласт-3 (теплопроводность — 0.25 Вт/м*К, степень черноты поверхности — 0, коэффициент облученности — 0.8, Максимальная рабочая температура при эксплуатации 125 °С)

4. Толщина стенок корпуса 3 мм

5. Мощность тепловыделения печатного узла 0.4Вт

6. Максимальная рабочая температура при эксплуатации печатного узла 80 °С

7. Температура окружающей среды — 25 °C Цель работы В ходе работы произведены и рассмотрены расчеты температуры узлов корпуса и воздуха внутри конструкции, результаты которых приведены ниже.

Задача моделирования Определение средних температур составляющих (стенок) корпуса, а также воздушного объёма внутри корпуса РЭС, на основе которых принимается решение о внесении изменений в конструкцию РЭС с целью достижения приемлемых тепловых режимов;

Построение тепловой модели процесса Построим модель теплового процесса герметичного блока РЭС.

Размеры блока: длина — 140 мм, ширина — 90 мм, высота — 20 мм. Толщина стенок блока — 3 мм. Коэффициент теплопроводности материала корпуса блока — 0.25 Вт/м*К, коэффициент черноты — 0. Коэффициент облученности — 0,8.

В герметичном корпусе из фторопласта закреплена печатная плата, с верхней стороны которой расположены радиоэлементы. Радиоэлементами равномерно по площади печатной платы рассеивается тепловая мощность 0.4 Вт. Расстояние от нижней грани кожуха корпуса до печатной платы составляет 5 мм. Размеры печатной платы таковы, что воздушные объемы внутри корпуса слева и справа от печатного узла не сообщаются. Коэффициент черноты для печатного узла — 0,76. Толщина печатного узла — 2 мм. Корпус находится в окружающей среде с температурой 25⁰С.

Эскиз блока РЭС изображен на рис. 11.

Так как расстояние от нижней грани кожуха корпуса до печатной платы составляет 5 мм, то при таких зазорах в замкнутых вертикальных прослойках конвекция воздуха не развивается. Следовательно, этот воздушный объем можно отнести к тонкой воздушной прослойке.

Рис. 11. Эскиз блока РЭС

Идеализируем процессы теплопередачи в блоке:

— примем изотермичными каждую грань корпуса;

— примем изотермичным объем воздуха внутри корпуса сверху от печатного узла;

— так как печатный узел имеет равномерное по площади рассеяние тепловой энергии и для него не требуется определять подробное температурное поле, то для упрощения построения МТП представим печатный узел в виде нагретой зоны;

— не учитываем теплопередачу от печатного узла к корпусу блока через элементы крепления печатного узла.

С учетом такой идеализации процессов теплопередачи блок РЭС условно разбиваем на 8 изотермичных объемов, которым ставятся в соответствие 8 узлов МТП (см. табл.1).

Моделирование

В подсистеме АСОНИКА-Т существует 4 варианта типовых конструкций РЭС: пластина, корпус, модульная конструкция, кассетная конструкция. Использование этих конструкций существенно упрощает процесс моделирования и расчета, т.к. для данных конструкций уже заданы все процессы теплопередачи между узлами исследуемого объекта.

Таблица 1 Узлы МТП герметичного блока РЭС

В нашей работе мы используем типовую конструкцию корпус, т.к. она соответствует построенной нами МТП. Задаем параметры нашего корпуса. Корпус находится в окр. среде, режим работы => расчета стационарный.

Рис. 12. Окно ввода параметров типовой конструкции «Корпус»

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне подсистемы АСОНИКА-Т появится изображение физической модели корпуса (см. рис. 13, а). Можно также отобразить и топологическую модель (рис. 13,б)

Рис. 13. Изображение модели корпуса:

Рис. 14 Топологическое отображение модели корпуса с подписанными узлами Далее нам необходимо создать и добавить к общей модели узел, который будет отвечать за печатный узел, задать параметры его мощности тепловыделения, а также задать параметры окружающей среды.

Создаем новый узел, и задаем для него параметры взаимодействия. Печатный узел взаимодействует с нижней стенкой корпуса блока через тонкую воздушную прослойку (ветвь 9−4 типа 41), конвекцией с воздухом внутри блока (ветвь 9−8 типа 26), излучением взаимодействует со всеми гранями корпуса (ветви: 9−1, 9−2, 9−3, 9−4, 9−5, 9−6 типа 16). Далее создаем начальные узлы (пронумерованы 0). Один узел 0 соединяем с узлом 7 (окружающая среда) и задаем тип воздействия — постоянная температура 25 °C. Второй узел 0 мы соединяем с узлом 9 (печатный узел), т.к. тепловыделение идет от печатной платы, и задаем тип воздействия — постоянная мощность 0.4Вт. Получаем готовую к расчету модель. Выполняем расчет.

Результаты моделирования В результате моделирования мы получаем температуры в узлах нашей тепловой модели, которые соответствуют температурам стенок моделируемого корпуса, печатного узла, а также воздуха внутри корпуса. (рис. 16). Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета Рис. 16 Результаты расчета Заключение по моделированию В ходе моделирования на подсистеме АСОНИКА-Т был произведен ряд температурных расчетов блока, результаты которых показаны выше. Исходя из полученных данных можно сказать, что исследуемое РЭУ может быть использовано без доработок, так как полученная температура в каждом из узлов не превышает заданной условиями эксплуатации. Температура максимальна в узлах находящихся в непосредственной близости от печатного узла (нижняя стенка), но и там она не превышает допустимой. Температура печатного узла также находится в пределах эксплуатационной.