Компоновка печатного узлаc использованием навесных элементов

2Цель работы: Определение габаритных размеров и массы печатной платы.

3 Теоретические сведения
Схемы современных радиоэлектронных систем настолько сложны, что непосредственная конструкторская разработка рабочих чертежей невозможна без выполнения предварительной части работ – компоновки электронного средства (ЭС) по заданным требованиям.
Компоновка есть процесс создания из отдельных составляющих частей композиции целого изделия, отвечающего всем требованиям технического задания. Компоновка является первым этапом при разработке конструкции. В процессе ее выбираются основные технические направления и определяются конструктивные составляющие изделия, устанавливаются их взаимное расположение, связи, определяются габаритные размеры и масса изделия.
Результатом выполненной компоновки являются компоновочные схемы (чертежи), позволяющие до начала основных работ при сравнительно небольших затратах средств и времени рассмотреть имеющиеся варианты, сделать их качественную оценку и принять к
разработке лучший из вариантов. Наличие компоновочных схем позволяетпредварительно рассчитать прочность, тепловой режим, виброизоляцию, а также оценить компактность аппаратуры и условия размещения ее на объекте.
В процессе компоновки широко используют способы, упрощающие и сокращающие объем чертежно-графических работ, такие как аппликационный, модельный, натурный, номографический и машинный.
Процесс компоновки делят на два этапа. На первом этапе осуществляют внутреннюю компоновку: решают вопросы образования отдельных конструктивных составляющих и размещения схемных элементов (как правило, с помощью ЭВМ). На втором этапе осуществляют внешнюю компоновку: решают общие вопросы формообразования и компоновки отдельных устройств и приборов.
Для удобства размещения электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на печатной плате вводится координатная сетка. Она необходима для задания координат центров монтажных и переходных отверстий, контактных площадок и других элементов печатного рисунка на поверхности печатной платы (ПП) и является самым удобным способом для указанных целей.

Альтернативные способы приведены в ГОСТ 2.417–91«ЕСКД. Правила выполнения чертежей, печатных плат».
Шаг координатной сетки – это расстояние между линиями координатной сетки и его значения (для прямоугольных координат) определены ГОСТ 10317–79 «Платы печатные. Основные размеры».
Основные размеры шага составляют 2,5; 1,25; 0,625 мм. Шаг 2,5 мм является основным, а размер шага в 0,625 мм применять не рекомендуется. При выборе шага сетки руководствуются следующими соображениями:
- для классов точности 1 и 2, при низкой плотности монтажа, выбирают шаг 2,5 мм;
- шаг 1,25 мм применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25мм, так как все монтажные отверстия должны попадать в узлы координатной сетки;
- при использовании многовыводных элементов (количество выводов по одной стороне более 24) зарубежного производства необходимо применять не метрическую, а дюймовую систему задания шага.
Так как задачи данного лабораторного практикума рассчитаны на 1 и 2 классы точности печатного монтажа, то рекомендуется шаг координатной сетки выбрать 2,5 мм.
Выбор варианта установки ЭРЭ на печатной плате в данной работе осуществляется по ОСТ 4.010.030. Конкретный вариант установки зависит от заданных условий эксплуатации.

Например, если задана высокая температура при эксплуатации устройства, то вариант установки должен предусматривать расстояние между платой и ЭРЭ. В случае высоких частот воздействующих механических вибраций (свыше 100 Гц) необходим такой вариант установки, который позволяет крепить ЭРЭ в наибольшем количестве точек. То есть ЭРЭ к плате крепятся не только выводами, но и корпус элемента должен касаться платы. Более подробно с рекомендациями по выбору варианта установки и правилами компоновки ЭРЭ можно познакомиться в приложении 17.

Каждому варианту установки соответствует свое упрощенное изображение ЭРЭ на плате и номер варианта. Варианты установки конденсаторов приведены в прил. 18, полупроводниковых приборов – в приложении 19, резисторов и микросхем – в приложении 20.

Установочные и габаритные размеры для упрощенных изображений конденсаторов, закрепляемых на печатном основании по выбранному варианту установки, приведены в приложении 21, полупроводниковых приборов – в приложении 22, резисторов и микросхем в – приложении 23.Для оценки габаритных размеров печатной платы следует вычислить площадь, занимаемую всеми электрорадиоэлементами.
При аналитической компоновке площадь рассчитывается по
формуле:

где Si – площадь i -гo элемента,

n – количество различных типов элементов.
Для расчета площади Si необходимо заполнить компоновочную таблицу (табл. 3.1). Таблица 3.1 Компоновочная таблица.

Позиционное обозначение	Количество элементов в группе	Вариант установки	Шаг координатной сетки,мм	Упрощенное изображение ЭРЭ с размерами по ОСТ4.010.030, мм	Масса i-того элемента, г	Диаметр выводов, мм	Установочная площадь, Sn,мм2	Общая площадь,мм2
К50-35 С1,C7 1000мкФ-16В С4 1000мкФ-5В		Iа   Iа   IIб	2,5   2,0   1,5	D=6,3 H=12 A=2,5	2,5   0,8   0,8	0,8   0,8   0,6	31,2
И т.д. все остальные ЭРЭ

В таблицу заносятся все группы ЭРЭ, отличающиеся размерами.
У резисторов размеры зависят от рассеиваемой мощности, у электролитических конденсаторов ― от нормируемого напряжения на них и номинальной емкости, у неэлектролитических конденсаторов ― от группы ТКЕ (температурного коэффициента емкости) и номинальной емкости. Размеры полупроводниковых приборов зависят от их типа, а размеры микросхем обусловлены типом корпуса.
Все размеры занесены в приложениях 18–23.
Габариты и конфигурация печатной платы задаются техническим заданием одним из следующих способов:

1.Жестко – указанием всех необходимых размеров, определяемых конфигурацией платы.
2. Ориентировочно – указанием размеров других плат изделия с целью их унификации.
3. Ориентировочно – указанием площади платы.
4. Ориентировочно – указанием площади платы и соотношения сторон.
Конкретные размеры печатной платы определяются расчетами.
По конфигурации наиболее предпочтительна прямоугольнаяформа ПП. Круглая и другие формы должны применяться только в технически обоснованных случаях.

Независимо от способа задания габаритов предварительно определяется необходимая площадь печатной платы. Однако если для первого способа этим должна быть подтверждена возможность реализации печатного монтажа на заданной
площади ПП, то для остальных нахождение площади, занимаемой ЭРЭ, – основание для выбора численных значений габаритных размеров.
Размеры одно-, двухсторонних и многослойных печатных плат на жестком и гибком основаниях согласно ГОСТ 10317 - 79 «Платы печатные. Основные размеры» должны быть кратными:
2,5 мм – при длине до 100 мм;
5,0 мм – при длине до 350 мм;
10,0 мм – при длине более 350 мм.
Максимальный размер любой из сторон составляет не более 470 мм. Соотношение линейных размеров сторон печатной платы следующее: 2:1, 2:3, 3:5 и т.д., но не более 3:1. Количество типоразмеров печатных плат в изделии нужно ограничивать.
Из компоновочной таблицы рассчитывают S _ЭРЭпо формуле:
S _ПП = (1/ К_S) · S _ЭРЭ
где К_S – коэффициент заполнения печатной платы.
Значения К_S для некоторых видов аппаратуры приведены в таблице 3.1.

Для неплотного монтажа, т. е. для первого и второго классов точности печатной платы, площадь, занимаемую ЭРЭ, увеличивают в 3 или 2,5 раза.
Стороны печатной платы выбираются из условия:

1. S _ПП = A´B,
где А – большая, В – меньшая стороны печатной платы.

Таблица 3.1 Значения Ks для некоторых видов аппаратуры

S _ПП представляет собой монтажную зону. Площадь печатной платы (ПП) состоит из рабочей (монтажной) зоны и зоны краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т. п.).
На рисунке 3.1 представлено расположение компоновочных зон.

Рисунок 3.1 – Расположение компоновочных зон на ПП.
Ширина краевого поля есть расстояние от края ПП до первого ряда посадочных мест ЭРЭ. Она состоит из четырех зон:
x1 – ширина краевого поля по оси Х (как правило, одинакова слева и справа), которая определяется направляющими элементами конструкции, конструкцией выводов, устанавливаемых на ПП ЭРЭ, крепежными изделиями и т. д.;
у1 – ширина краевого поля нижней кромки ПП, предназначенного для установки соединителя. Размер краевого поля у1 зависит от типа выбранного соединителя. Размеры соединителей представлены в приложении 24;
у2 – ширина краевого поля на верхней кромке ПП, где размещаются: лицевая панель для модулей кассетной конструкции (рис. 3.2) и контрольные гнезда.

Рисунок 3.2 – Конструктивное исполнение ячейки: 1- панель, 2 – печатный узел, 3 – электрический соединитель.

Для штыревых выводов величину x принимают равной 5 мм, для планарных – 2,5 мм. Величина у2 при отсутствии контрольных гнезд равна 2,5 мм, а при их наличии – 12,5 мм.

При установке лицевых панелей у2 увеличивается примерно на 5–10 мм и зависит от конкретного конструктивного исполнения.
В последнее время с применением малогабаритных соедините лей типа СНП-10 и плоских кабелей для ряда радиотехнических изделий (бытовая радиоаппаратура, персональные ЭВМ, электронные телефонные аппараты и т. п.) внешнее соединение может производиться через разъемы, установленные в монтажной зоне. Однако распайка одиночных проводников и жгутов на ПП должна производиться только в зонах краевого поля.

При вычислении габаритов ПП необходимо учитывать и то, что от края платы до центра крепежного отверстия должно быть не менее 5 мм. Кроме того, крепёжные изделия (шайбы, гайки и т. п.) или их элементы (головки винтов, болтов и т. д.) не должны выступать за габариты печатной платы.
Если конфигурация и габариты платы не определены жестко базовой несущей конструкцией (например, «База-1», «База-2», «База-3»,«База-4», Евромеханика и т. д.), то полученные численные значения размеров длины и ширины ПП следует выбирать в соответствии с ОСТ 4.010.020–83 или приложения 25.
Для ЭС, построенных по модульному принципу, размеры печатных плат будут соответствовать размерам, принятым в том или ином конструктиве. В настоящее время существует ряд систем модульных конструктивов, которые предназначены для размещения стандартных плат, кассет и конструкций, унифицированных по высоте, ширине и глубине. В них приняты несколько опорных и рекомендуемых для
повторения величин высоты, ширины и глубины. Эти конструктивы учитывают тот факт, что в раму (корзину, крейт) могут встраиваться изделия различных производителей. Некоторые модульные конструктивы представлены в приложении 26.

4 Порядок выполнения работы
4.1 Воспользоваться перечнем элементов печатной платы и подготовить компоновочную таблицу (табл. 3.1).
4.2 Выбрать вариант установки каждого элемента на печатную плату по ОСТ 4ГО.10.030, учитывая условия эксплуатации электронного устройства.
4.3 Для выбранного варианта установки и шага координатнойсетки, равного 2,5 мм, выписать упрощенное изображение элементов на печатной плате c его габаритными, установочными размерами и массами. Занести в компоновочную таблицу также диаметры выводов ЭРЭ.
4.4 По формуле (5.1) вычислить площадь S _ЭРЭ, занимаемую всеми элементами на печатной плате. Данные занести в компоновочную таблицу.
4.5 Умножить величину S _ЭРЭ на коэффициент К_S., получив значение для S _ПП (монтажная зона).
4.6 Определить длины и ширины монтажной зоны. В первом приближении их можно определить как L = B = Ö S.

4.7 Учесть габаритные размеры зон подключения внешних выводов.
4.8 Учесть габаритные размеры зон размещения элементов контроля.
4.9 Учесть зоны механического крепления ПП и зоны, определяемые несущей конструкцией блока (направляющие и т.п.).

4.10 Привести полученные значения размеров ПП к стандартным.
4.11 Провести компоновку узла с помощью ЭВМ.

5 Содержание отчета
5.1 Привести компоновочную таблицу для всех ЭРЭ, устанавливаемых на печатной плате.
5.2 Дать расчеты площади, занимаемой ЭРЭ.
5.3 Определить размеры сторон ПП.
5.4 Начертить эскиз компоновки печатного узла.
5.5 Приложить распечатку компоновки узла, сделанную с помощью ЭВМ.

6 Контрольные вопросы
6.1 Что понимается под термином «компоновка»?
6.2 Какие виды компоновочных работ Вам известны?
6.3 Чем отличается внутренняя компоновка от внешней?
6.4 Для чего вводится при компоновке печатных узлов координатная сетка?
6.5 Какие шаги координатной сетки наиболее применимы и почему?
6.6 Величине какого модуля должны быть кратны стороны печатных плат?
6.7 Из каких соображений выбираются варианты установки навесных элементов на печатную плату?

Лабораторная работа 9