Схемотехническое моделирование в среде Electronics Workbench

3.2 Схемотехническое моделирование в среде Electronics Workbench

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа электрических схем.

Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Electronics Workbench может проводить анализ схем на постоянном (DC) и переменном (AC) токах. При анализе на постоянном токе определяется рабочая точка схемы в установившемся режиме работы.

Рисунок 5 – Принципиальная схема устройства в среде Electronics Workbench

4 Расчет и проектирование печатной платы

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

-повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

-получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

-гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

-повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

-повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

-унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

-увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

-улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

-снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

Общие требования к ПП.

Диэлектрическое основание ПП должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей и раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются одиночные вкрапления металла, царапины, следы от удаления одиночных невытравленных участков, проявление структуры материала, которые не ухудшают электрических параметров ПП и не уменьшают минимально допустимых расстояний между элементами проводящего рисунка.

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, разрывов, следов инструмента и остатков технологических материалов. Допускаются: отдельные местные протравы не более 5 точек на 1 дм² ПП при условии, что оставшаяся ширина проводника соответствует минимально, допустимой по чертежу; риски глубиной не более 25 мкм и длиной до 6 мм; остатки металлизации на участках ПП, не уменьшающие допустимых расстояний между элементами.

По виду материала основы ПП разделяют на:

-изготовленные на основе органического диэлектрика (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит);

-изготовленные на основе керамических материалов;

-изготовленные на основе металлов.

По виду соединений между слоями различают ПП с металлизированными отверстиями, с пистонами, изготовленные послойным наращиванием, с открытыми контактными площадками.

По способу изготовления ПП разделяют на платы, изготовленные химическим травлением, электрохимическим осаждением, комбинированным способом.

По способу нанесения проводников ПП делят на платы, полученные обработкой фольгированных диэлектриков, нанесением тонких токопроводящих слоев. Последний способ хорошо отработан на технологии гибридных схем.

Задачи конструирования печатных плат.

В РЭА печатные платы применяют практически на всех уровнях конструктивной иерархии: на нулевом - в качестве основания гибридных схем и микросборок, на первом и последующих - в качестве основания, механически и электрически объединяющего все элементы, входящие в электрическую принципиальную схему РЭА и ее узлов. При разработке конструкции печатных плат решаются следующие взаимосвязанные между собой задачи:

1) схемотехнические - трассировка печатных проводников, минимизация слоев и т.д.;

2) радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи и пр.;

3) теплотехнические - температурный режим работы ПП, теплоотводы;

4) конструктивные - размещение элементов на ПП, контактирование и пр.;

5) технологические - выбор метода изготовления, защита и пр.

Основные правила конструирования печатных плат.

1.Максимальный размер стороны ПП не должен превышать 500 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.

2. Соотношения размеров сторон ПП для упрощения компоновки блоков и унификации размеров ПП рекомендуются следующие: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т.д.

3. Выбор материала ПП, способа ее изготовления, класса плотности монтажа должны осуществляться на стадии эскизного проектирования, так как эти характеристики определяют многие электрические параметры устройства..

4. При разбиении схемы на слои следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется экономическими соображениями.

5. По краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5-2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается.

6. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В крайнем случае, хотя бы первый вывод микросхемы должен располагаться в узле координатной сетки.

7. На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.

8. Печатные проводники следует выполнять минимально короткими.

9. Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.

10. Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.

11. Заземляющие проводники следует изготовлять максимально широкими.

Конструктивные особенности ПП. Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными, проводники без вздутий, отслоений, разрывов, протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопротивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигналов.

Расстояние между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружных или в соседних слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 0,5 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, можно применять шаг, равный 0,05 мм.

При использовании микросхем и элементов с шагом выводов 0,625 мм допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. При использовании микросхем зарубежного производства с расстояниями между выводами по дюймовой системе допускается использование шага координатной сетки, кратного 2,54 мм.

Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны выбираться из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0. Монтажные отверстия предназначены для установки микросхем и ЭРЭ, а переходные отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП.

Размеры ПП, если они специально не оговорены в ТЗ, определяются с учетом количества устанавливаемых элементов, их установочных площадей, шага установки, зон установки разъема и пр. Соотношение линейных размеров сторон ПП должно составлять не более 3:1.

Размеры печатных плат. В общем случае типоразмеры ПП выбираются исходя из требований двух направлений - функционального и технологического.

Требования функционального направления в конструктивном плане выражаются плотностью компоновки, зависящей от размеров и количества корпусов микросхем и вида монтажа активных и пассивных связей электрической схемы. Требования технологического направления определяют ограничения типоразмеров с точки зрения технологических возможностей и эффективности производства заготовок, разрешающей способности фотолитографии, механической прочности, возможностей систем автоматизированного проектирования.

Расчет электрических параметров ПП. Печатные проводники проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения.

С увеличением быстродействия РЭА все большее значение приобретают вопросы учета параметров проводников и высокочастотных связей между ними.

Сопротивление проводника определяется выражением

R=rl/(bd), (1)

где: r - удельное объемное электрическое сопротивление проводника; l длина проводника; b - ширина проводника; d - толщина проводника.

R = 10^-6 *0.2/0.002*10^-5 = 10^-5Ом

Величина r различается для проводников, изготовленных различными методами. Так, для медных проводников, полученных электрохимическим осаждением, r равно 0,02-0,03 мкОм/м, а для медных проводников, полученных методом химического травления r равно примерно 0,0175 мкОм/м.

Постоянный ток в проводниках. Величина тока в печатных проводниках определяется, в первую очередь, ограничением на максимально допустимую плотность тока для конкретного материала g. Для медных проводников, полученных электрохимическим осаждением g равна около 20 А/мм², и около 30 А/мм² для проводников, полученных методом химического травления фольги. Исходя из этого, допустимый ток в печатных проводниках определяется как

I = 10-3 gbd, (2)

I = 7*0.025*0.002*10^-5 = 0.063А.

а ширина должна отвечать следующему условию:

b ³ 103 I/(gd). (3)

b ³ 103*0.063/0.025*10^-5 = 0.0003м.

Падение напряжения на печатных проводниках определяется как:

 

DU = r[l/(bd)]. (4)

DU = 10^-6[l/(0.002*10^-5)] = 0.04B.

Переменный ток в печатных проводниках. В отличие от постоянного тока распределение переменного тока в печатных проводниках происходит неравномерно. Это обусловлено наличием поверхностного эффекта, возникающего при протекании по проводнику высокочастотного переменного тока.

При этом внутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновению индукционного тока, взаимодействующего с основным. Вследствие этого происходит перераспределение тока по сечению проводника, и в результате его плотность в периферийных областях сечения возрастает, а ближе к центру уменьшается. На высоких частотах ток во внутренних слоях проводника уменьшается практически до нуля.

Емкости. Емкость (пф) между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины b (мм), расположенными на одной стороне платы определяется как

C = 0.12 l/{lg[2a/(b+d)]}, (5)

C = 0,12*1*0,02/{0,02*10[2*0,03/(0,002+10^-5)]} = 0,000652Ф.

где: l - длина участка, на котором проводники параллельны, мм; e - диэлектрическая проницаемость среды; a - расстояние между параллельными проводниками.

Емкость (пф) между двумя параллельными проводниками шириной b (мм), расположенными по обе стороны печатной платы с толщиной диэлектрика а (мм) определяется как

C = 0,008842 e l b/a [1+a/(pb) (1+lg(2pb/a))] (6)

C = 0,008842 1* 0,02 *0,002/0,03 [1+0,03/(p*0,02) (1+lg(2p0,02/0,03))] = 0,0005484Ф

Приведенные выражения позволяют произвести оценку емкости (пф) печатных проводников с точностью ±(20-30)%.

На высоких частотах возникает необходимость оценивать индуктивность и взаимную индуктивность печатных проводников.

Рассчитаем суммарную площадь резисторов:

S_Rn=1,5∙ n ∙ L ∙ D, (7)

где S_Rn – суммарная площадь резистора, мм²;

n – количество резисторов, шт;

L – длина резистора, мм;

D – ширина резистора, мм;

1,5 – коэффициент запаса.

S_R1,R2 =1,5 ∙ 2 ∙ 9 ∙ 3 = 81 (мм²);

S_R3,_R4=1,5 ∙ 2 ∙ 7 ∙ 2 = 42 (мм²);

S_Rобщ= S_R1,R2 + S_R3,_R4 =81+42= 123 (мм²).

Рассчитаем суммарную площадь конденсаторов:

S_Сn=1,5∙n∙L ∙ D (8)

где S_Сn – суммарная площадь конденсатора, мм²;

n – количество конденсаторов, шт;

L – длина конденсатора, мм;

D – ширина конденсатора, мм;

1,5 – коэффициент запаса.

S_С1 = 1,5 ∙ 1 ∙12 ∙ 5 = 90 (мм²);

S_С2 = 1,5 ∙ 1 ∙18 ∙ 9 = 243 (мм²);

S_Собщ = S_С1 + S_С2 =90+243= 333 (мм²).

Рассчитаем суммарную площадь стабилитронов:

S_VDn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм² (9)

где S_VDn – суммарная площадь стабилитрона, мм²;

n – количество стабилитронов, шт;

L – длина стабилитрона, мм;

D – ширина стабилитрона, мм;

1,5 – коэффициент запаса.

S_VD6 = 1,5 ∙ 1 ∙ 3 ∙ 1 = 4,5 (мм²)

Рассчитаем суммарную площадь диодов :

S_VDn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм² (10)

где S_VDn – суммарная площадь диода, мм²;

n – количество диодов, шт;

L – длина диода, мм;

D – ширина диода, мм;

1,5 – коэффициент запаса.

S_VD1-VD4 = 1,5 ∙ 4 ∙ 3 ∙ 2 = 36 (мм²)

S_VD8 = 1,5 ∙ 1 ∙ 17 ∙ 5 = 127 (мм²)

S_VDобщ = S_VD1-VD4 + S_VD8 = 36+127= 163 (мм²)

Рассчитаем суммарную площадь микросхемы :

S_DАn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм² (11)

где S_DАn – суммарная площадь микросхемы, мм²;

n – количество микросхем, шт;

L – длина микросхемы, мм;

D – ширина микросхемы, мм;

1,5 – коэффициент запаса.

S_DА1 = 1,5 ∙ 1 ∙ 8 ∙ 8 = 96 (мм²)

Рассчитаем суммарную площадь транзисторов :

S_VTn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм² (12)

где S_VTn – суммарная площадь транзисторов, мм²;

n – количество транзисторов, шт;

L – длина транзистора, мм;

D – ширина транзистора, мм;

1,5 – коэффициент запаса.

S_VT1 = 1,5 ∙ 1 ∙ 5 ∙ 5 = 37 (мм²)

S_VT2 = 1,5 ∙ 1 ∙ 7 ∙ 6 = 63 (мм²)

S_VTобщ = S_VT1+ S_VT2 = 37+63= 100 (мм²)

Далее рассчитаем суммарную площадь всех радиоэлементов:

S_=S_Rобщ+S_Собщ+ S_VD6+S_VDобщ+S_DА1+ S_VTобщ , (13)

где S_ - суммарная площадь всех радиоэлементов, мм².

S_= 123+333+4,5+163+96+100 = 819,5 (мм²).

Определим ориентировочную площадь печатной платы:

S_пп=1,5∙(S_+S_пров), (14)

где S_пп – ориентировочная площадь печатной платы, мм²;

S_пров – площадь печатных проводников, мм²;

1,5 – коэффициент запаса.

S_пров = S_= 819,5 (мм²);

S_пп = 1,5 ∙ (819,5 +819,5) = 2458,5 (мм²).

Если принять ширину В = 60 мм, то исходя из полной площади платы ее длина:

L = S_пп / B, мм (15)

L = 2458,5 / 60 = 40,9 (мм).

Принимаем L = 41 (мм).

Исходя из рассчитанной площади печатной платы, выбираем ее размер 60х41 мм. Для печатных проводников допускается плотность тока до 20 А/мм². При расчёте печатных плат также необходимо знать минимальную ширину печатного проводника, которая выбирается исходя из значений токов, протекающих по этому проводнику. Формула для расчёта ширины печатных проводников, исходя из максимального значения плотности тока:

J = I/(k · S), (16)

где J – плотность тока, А/мм²;

k – коэффициент запаса, k = 0,2;

I – ток в печатном проводнике, А;

S – площадь сечения печатного проводника, мм².

Преобразуя формулу, получим:

J = I / (k · а · h), А/мм² (17)

где а – ширина печатного проводника, мм;

h – толщина печатного проводника, мм.

Выразим из этой формулы ширину печатного проводника

a ≥ I / (k ∙ J ∙ h), мм (18)

Зная, что максимальный ток, который может протекать в схеме равен 0,4 А и, подставив значение h = 0,1 мм (толщина медного токопроводящего покрытия фольгированного стеклотекстолита), получим:

a ≥ 0,4 / (0,2 ∙ 20 ∙ 0,1) = 1 (мм).

Принимаем ширину печатных проводников на всей печатной плате исходя из максимального тока в схеме a = 1,3 мм.

Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта был рассчитан и изготовлен прибор для измерения параметров реле. В состав структурной схемы был включен трансформатор, преобразующий напряжение сети в 25В; выпрямительный мост, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения, блок индикации. Согласно данной структурной схемы бала разработана принципиальная схема. Был произведен расчет и выбор элементной базы, расчет и проектирование печатной платы, произведено схемотехническое моделирование в среде в среде Electronics Workbench. В экономической части дипломного проекта была рассчитана прибыль от производства прибора, его стоимость и рентабельность.

 

Список литературы

1. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. Волынский Б.А. - М.: Энергоатомиздат, 1987.- 526 с.

2. Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. Морозов А.Г.- М.: Высш. шк. 1987. - 448 с.

3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая Линия – Телеком, 2000. 768 с.: ил.

4. Першин В. Расчет сетевого трансформатора источника питания. // Радио.- 2004.- № 4.- С. 54 — 56;- № 5.- С. 55.

5. Герасимов В. Г. Электротехнический справочник. Т. 1. Герасимов В. Г. - М.: Энергия, 1980.

6. Г.З. Суша. Экономика предприятия.: Учеб. пособие. – Г.З. Суша. М.: Новое знание. – 2003. – 384с.

7. Экономика предприятия .: Учеб. пособие / Под ред. О.И. Волкова.- Мн.: Выш. шк. - 2003. – 634с.