Електроконструктивний розрахунок плати друкованої

 

2.1.1 Початкові дані для розрахунку плати друкованої (ПД):

а) схема електрична принципова, яка визначає кількість елементів і характер зв'язків між ними, кількість і характер зовнішніх зв'язків, елементну базу;

б) технічні вимоги до конструкції: умови роботи, конструктивні обмеження, вимоги до типізації, уніфікації.

2.1.2 При розробці електричних з'єднань на основі ПД визначається:

а) конструктивно-технологічний тип ПД, її клас точності, матеріал основи;

б) площа, габарити, співвідношення сторін та розмірів ПД;

в) параметри елементів плати;

г) розміщення елементів;

д) малюнок друкованих провідників.

2.1.3 Вибираємо матеріал, з якого виготовлена ПД. Виходячи з частотних властивостей та умов експлуатації, в даному випадку раціонально прийняти склотекстоліт СФ-1-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

2.1.4 Визначаємо габаритні розміри всіх елементів, які будуть знаходитись на ПД, і розраховуємо площі, які вони будуть займати. Результати розрахунків зведені в таблицю 2.1. Установчі площі та варіанти встановлення за ОСТ 4.040.080-81.

 

 

Таблиця 2.1 – Габаритно-встановочні розміри елементів

Вигляд	Розмір, мм	Площа елемента Sел., мм^2	Кіль-кість, шт.	Примітки
	3×7			R1…R5, R7…R13, VD1… VD6
	6×14			R6
	8×11			DA1
	2×10			C1…C3, C5…C7,C9, C18,C20,C22
	ø5	19,62		C10,С11,С13,C14
	ø10	78,5		С4,С8,C12, С15,С17,C19,C21
	ø12	113,04		VT1
	8×14			DD1
	27×30			Tr1
	4×12			VR1

2.1.5 Після визначення установчих площ всіх груп елементів знайдемо загальну площу, що займається всіма елементами, за формулою:

 

S_заг.ел.= Σ S_{елементів} (2.1)

 

S_заг.ел.= 2641,03 (мм²)

2.1.6 Наступним етапом розраховуємо площу плати за формулою:

 

S_пл.=S_заг.ел./К_s, (2.2)

 

де К_s - коефіцієнт заповнення площі плати, К_s= 0,5... 0,55.

S_пл.= 2641,03/0,5 = 5282,06 (мм²)

Всі лінійні розміри елементів плати та габаритні розміри повинні відповідати ГОСТ 25346-82 та ГОСТ 25347-82. Вибираємо плату розміром 85×65 мм. Тоді розмір вибраної плати:

S_плв= 85×65 = 5525 (мм²)

2.1.7 В залежності від габаритних розмірів ПД і допустимих відхилень лінійних розмірів елементів друкованого малюнку призначаємо платі перший клас точності за таблицею 12.6 [9].

2.1.8 За густиною ПД поділяють на три класи. В даному випадку вибираємо третій клас точності з великою густиною друкованого малюнку.

2.1.9 Розводка ПД проводиться відповідно до схеми електричної принципової. При розробці друкованого малюнку повинна виконуватися умова:

S_пл ≤ S_плв (2.3)

 

5282,06 < 5525

Умову виконано.

Виходячи із коштовності і дозволяючої можливості методу, плату виготовити хімічним способом, методом сіткографії. Із стандартного ряду таблиці 12.10 [9] приймаємо діаметр отворів 1,0 мм при діаметрі виводів елементів 0,8 мм, діаметр отворів 1,2 мм при діаметрі виводів 1 мм.

Допуски відхилень отворів друкованих провідників та контактних площадок від координатної сітки ± 0,1 мм.

2.1.10 Беручи до уваги, що густина струму в друкованому провіднику не більша ніж 20 А/мм², визначаємо ширину друкованих провідників з рисунка 12.5 [9]. Приймаємо мінімальну ширину провідника 1 мм при товщині фольги 35 мкм.

В результаті розрахунку приймаємо:

- матеріал плати – склотекстоліт фольгований СФ-1-35-1,5

ГОСТ 10316-78;

- розміри плати – 85×65 мм;

- мінімальна ширина провідників – 0,5 мм;

- мінімальна відстань між провідниками – 1 мм.

2.2 Розрахунок транзисторного згладжуючого фільтра

 

Рисунок 1 – Схема транзисторного згладжуючого фільтра

Вихідні дані:

1) номінальне значення напруги на виході фільтра U_вих ;

2) допустимі межі зміни вихідної напруги в бік зменшення U_вих.min та збільшення U_вих.max ;

3) коефіцієнт зменшення а_min та збільшення а_max постійної складової вхідної напруги фільтра;

4) номінальний, мінімальний та максимальний струми навантаження І_н , І_н.min , І_н.max ;

5) коефіцієнти пульсацій вхідної К_п.вх та вихідної К_п.вих напруги;

6) частота пульсацій випрямленої напруги f_п;

7) максимальна температура оточуючого середовища t_от.с.max ;

8) число фаз випрямляча m.

 

 

Таблиця 1 – Вихідні дані

Номер варіанту
Uвих , В
Uвих.min, В	10,8
Uвих.max , В	13,2
аmin ,	0,9
аmax ,	1,1
Ін , мА	2,0
Ін.min , мА	1,8
Ін.max , мА	2,2
Кп.вх, В	0,01
Кп.вих, В	0,001
fп, Гц
tот.с.max , ºС
m

 

 

Порядок розрахунку:

2.2.1 Визначаємо параметри транзистора VT1. Для цього приймаємо зміну струму бази транзистора ΔI_Б при зміні струму навантаження від нуля до І_н.max. Зазвичай приймають ΔI_Б = (0,1…0,15) мА. Тоді мінімальне значення коефіцієнта передачі струму транзистора для схеми з спільним емітером визначаємо з умови:

h_21е ≥ І_н.max /ΔI_Б (2.4)

 

h_21е ≥ 2,2×10^-3 /0,1×10^-3 =22

Якщо знайдене значення h_21е ≤ 30, то в схемі застосовують один транзистор; якщо h_21е > 30, то в схемі застосовують декілька транзисторів.

2.2.2 Обираємо тип транзистора. При цьому повинна виконуватись умова

 

І_Кmax ≥ І_н.max , (2.5)

 

де І_Кmax – максимальний струм колектора обраного типу транзистора (таблиця 2)

10×10^-3 ≥ 2,2×10^-3

Р_Кmax – максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі транзистора;

R_т – тепловий опір транзистора.

Таблиця 2 – Параметри малопотужних низькочастотних транзисторів

Тип транзистора	С1213
ІКmax, мА
РКmax, мВт
Rт, ºС/Вт

 

Перевіримо відповідність вибраного транзистора до умови (2). Якщо умова не виконується, то необхідно обрати інший тип транзистора.

2.2.3 Визначаємо потужність, що розсіюється на колекторі транзистора VT1

 

Р_К = U_КЕ × І_Кmax , (2.6)

 

де U_КЕ – падіння напруги на ділянці колектор-емітер транзистора VT1, яке приймається:

- для германієвих транзисторів U_КЕ = (2…3) В;

- для кремнієвих транзисторів U_КЕ = (3…5) В.

Р_К = 4 ×10×10^-3=40×10^-3 (Вт)

2.2.4 Необхідно, щоб виконувалась умова:

 

Р_Кmax > Р_К , (2.7)

 

де Р_Кmax – максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі вибраного транзистора (таблиця 2). Якщо умова не виконується, то необхідно обрати інший тип транзистора.

150×10^-3>40×10^-3

2.2.5 Визначаємо необхідності застосування тепловідводу для транзистора VT1. Попередньо знаходимо максимально допустиму потужність, що розсіюється на колекторі вибраного транзистора без тепловідводу

 

Р_{Кmax доп} = (Т_пер.max – t_от.с.max) / R_т , (2.8)

 

де Т_пер.max – максимальна температура колекторного переходу вибраного транзистора:

- для германієвих транзисторів Т_пер.max = 85 ºС;

- для кремнієвих транзисторів Т_пер.max = (120…150) ºС;

R_т – тепловий опір транзистора (таблиця 2).

Р_{Кmax доп} = (150 – 20) / 150=0,87 (Вт)

Якщо виконується умова:

Р_{Кmax доп} > Р_Кmax, (2.9)

 

0,87 ≠ 150×10^-3

то необхідно застосувати радіатор в якості тепловідводу для транзистора.

2.2.6 Визначаємо величину внутрішнього опору випрямляча r₀

 

r₀ ≈ [(0,15…0,3)×U_вих] / І_н.max (2.10)

 

r₀ ≈ [0,2×12] / 2,2×10^-3=1,09 ×10³ (Ом)

2.2.7 Визначаємо номінальне значення напруги на вході фільтра Е_вх при роботі випрямляча в режимі холостого ходу

 

, (2.11)

 

де U_БЕ – напруга на базі транзистора VT1, U_БЕ = (0,2…0,5) В.

(В)

2.2.8 Визначаємо номінальне значення напруги на вході фільтра при роботі випрямляча під навантаженням (при струмі І_н)

 

U_вх = Е_вх – (І_н × r₀) (2.12)

 

U_вх = 19.15 – (2×10^-3× 1,09×10³)=16,97 (В)

2.2.9 Визначаємо необхідне співвідношення плечей подільника напруги R₁, R₂

 

n = R₂ / (R₁ + R₂) = (U_вих + U_БЕ) / U_вх (2.13)

n = 220 / (82 + 220) = (12 + 0,3) / 16,97=0,73

2.2.10 Розраховуємо струм навантаження фільтра , при якому на колекторі транзистора VT1 розсіюється максимально допустима потужність

 

(2.14)

 

(А)

2.2.11 Уточнюємо значення максимально допустимої потужності Р_Кmax, що розсіюється на колекторі транзистора VT1

 

, (2.15)

 

де і_н.max приймають:

 

- якщо , то і_н.max = І_н.max;

 

- якщо , то і_н.max = .

 

(Вт)

2.2.12 Визначаємо максимальне значення напруги колектора транзистора VT1

 

(2.16)

 

(В)

2.2.13 Розраховуємо максимальну потужність на вході фільтра

 

(2.17)

 

(Вт)

2.2.14 Визначаємо опори подільника напруги R₁, R₂. Для цього розраховуємо струм через резистор R₁

І_R1 ≈ 10 × І_Бmax , (2.18)

 

І_R1 ≈ 10 × 0,45×10^-3=4,5×10^-3 (А)

де І_Бmax – максимальний струм бази транзистора VT1, який визначаємо за формулою:

І_Бmax = І_Кmax / h_21е (2.19)

 

І_Бmax = 10×10^-3 / 22=0,45×10^-3 (А)

Тоді

(2.20)

 

(Ом)

 

(2.21)

 

(Ом)

Стандартні значення R₁, R₂ обираємо по шкалі номінальних значень опорів резисторів.

2.2.15 Знаходимо ємність конденсатора С₁ в колі бази транзистора за формулою:

 

, (2.22)

 

де m – число фаз випрямляча (таблиця 1);

К_U – коефіцієнт підсилення по напрузі транзистора; для малопотужних кремнієвих транзисторів К_U = 1200…1300.

(Ф)

Обираємо стандартний тип конденсатора С₁.

2.2.16 Обираємо ємність конденсатора С₂ в межах С₂ = (50…100) мкФ. Обираємо стандартний тип конденсатора С₂=100×10^-6 Ф.

2.2.17 Знаходимо амплітуду пульсацій напруги на виході фільтра

 

(2.23)

 

(В)

Необхідно, щоб виконувалась умова:

 

(2.24)

 

2.2.18 Визначаємо коефіцієнт корисної дії фільтра:

 

ŋ = (U_вих / U_вх)×100% (2.25)

ŋ = (10,8 / 16,97)×100%=63,64

В результаті розрахунку було обрано тип транзистора та визначено параметри елементів схеми:

КТ203 - VT1– тип транзистора;

0,994×10³ - R1 – опір резистора;

0,7×10³ - R2 – опір резистора;

1×10^-3 - C1– ємність конденсатора;

100×10^-6 - C2 – ємність конденсатора;

63,64 - ŋ – коефіцієнт корисної дії фільтра.