Дипломная (вкр): Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов

С целью улучшения теплоотведения необходимо предусмотреть установку радиатора на корпус транзистора VT1;

При этом следует увеличить ширину проводников проводящего рисунка ПП потенциальных цепей (питание и общий).

В проектируемом устройстве отсутствуют элементы, усложняющие процесс проектирования и понижающие надежность устройства:

ЭРЭ, сопрягаемые с конструкцией корпуса устройства;

ЭРЭ, подбираемые при настройке;

органы оперативного управления;

устройства индикации;

Точки, необходимые для проведения внутрисхемного контроля не предусмотрены ТЗ, поэтому введение в топологию проводящего рисунка ПП контрольных контактных площадок не требуется.

2.4.2 Конструктивные ограничения на ПУ

Габариты и конфигурация ПП по условию ТЗ выбираются разработчиком. Предварительный расчет монтажной зоны с учетом зоны краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т.п.) показал возможность размещения ЭРЭ, определенных перечнем элементов, на площади ПП 95х95 мм.

На ПП необходимо предусмотреть четыре крепежных отверстия диаметром 3,2 мм.

2.4.3 Эксплуатационные ограничения на ПУ

Предельно допустимые условия эксплуатации для элементов ПУ, согласно перечню элементов, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Предельно допустимые условия эксплуатации элементов

Предварительный анализ соответствия элементов ПУ требованиям условий эксплуатации изделия показал, что обеспечение дополнительных мер по повышению стойкости и прочности ПУ к внешним механическим и климатическим воздействиям не требуется.

Особенности схемотехнической настройки печатного узла (необходимость покаскадной, последовательной настройки, организации технологических разрывов в электрических цепях и т.д.) не предусмотрены.

2.4.4 Выбор типа ПП

Тип ПП определяется сложностью исходной электрической схемы, частотным диапазоном, назначением РЭС, необходимостью экранирования конкретных цепей. Разработчик должен стремиться к минимизации стоимости ПП, а это напрямую зависит от числа слоев.

В соответствии с ТЗ ПУ должен быть выполнен на жесткой ОПП.

Преимуществами ОПП являются простота и низкая стоимость изготовления, а недостатками - низкая трассировочная способность вследствие низкой разрешающей способности рисунка схемы, одностороннего расположения широких проводников и большого расстояния между ними. Поэтому установка ЭРИ высокой функциональной сложности крайне ограничена. Конструкция ОПП представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Конструкция ОПП: 1 - диэлектрическое основание; 2 - контактная площадка; 3 - печатный проводник; 4 - отверстие; 5 - ЭРИ;

2.4.5 Технологические ограничения на ПУ

На ПУ установлены требования в виде класса точности проводящего рисунка, он должен быть выполнен по первому классу точности. В ТЗ указано, что общая трудоёмкость изготовления должна быть минимальной. В изделие должны быть максимально применены унифицированные составные части.

3. Конструкторская часть

.1 Описание электрической принципиальной схемы ПУ

Схема электрическая принципиальная блока питания лампы ртутной дуговой ДРШ-100-2 представлена на РКФ ДП. 411733.100 Э3.

Рассмотрим стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне, который имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между IСТ.МИН и IСТ.МАКС. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 или их аналогов 1075Z4… 1094Z4, ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны.

Рисунок 3.1 - Стабилизатор на кремниевом стабилитроне

Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра - стабилизатора остается неизменным.

Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рисунке 3.2 а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.

Рисунок 3.2 - Схемы транзисторных стабилизаторов напряжения

Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем IэIк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).

Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рисунка 4.2 а видно, что напряжение на нагрузке (UH) отличается от напряжения на стабилитроне (UСТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе UЭБ транзистора VT, т. е. UH=UCT-UЭБ. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку IH, и напряжения UH. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения UЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор-эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор-эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, напряжение UЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор-эмиттер и повышение напряжения на этом переходе.

Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки RH образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода - регулирующим.

Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько Ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор - эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рисунок 4.2 б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.

При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.

Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является следующее. Напряжение на нагрузке UH отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона UCT на напряжение, падающее на переходе эмиттер-база UЭБ транзистора VT (рисунок 4.2 а), т. е. UH=UCT-UЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение UЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых - не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рисунке 4.2 в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор RУСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке UH вместе с напряжением на переходе эмиттер-база UЭБ транзистора VT равно напряжению UУСТ, снимаемому с переменного резистора RУСТ, т. е. UH+UЭБ=UУСT, откуда следует: UH=UУСТ-UЭБ. При перемещении движка переменного резистора RУСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке UH. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения UCT-UЭБ).

Рисунок 3.3 - Схема транзисторного мощного регулируемого стабилизатора напряжения

Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рисунке 4.3. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (UOC). Из рисунка видно, что UOC=UCТ+ UЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько кОм [22, 23].

Схему нашего блока питания построим по типу схемы изображенной на рисунке 3.3.

3.2  Выбор принципа проектирования ПУ

Габариты, конструкция и качество ПУ РЭС во многом зависят от выбранного способа конструирования: моносхемный, функционально-блочный, функционально-модульный и функционально-узловой.

В нашем случае вся электрическая схема изделия располагается на одной ПП, поэтому выбран моносхемный способ конструирования. Метод отличает повышенная плоскостность компоновки, малое количество крепежных деталей, отсутствие межплатных соединений.

На качество проектирования ПП действуют следующие факторы:

степень сложности;

способ изготовления;

назначение изделия;

условия эксплуатации;

диапазон частот и рабочих напряжений.

По степени сложности разрабатываемый ПУ можно отнести к 1 группе (простая аппаратура, содержащая до 10 активных ЭРЭ (2-3 ИМС)).

Характер производства (серийность выпуска), с учетом степени сложности, влияет на выбор способа изготовления ПП, в частности, способа получения печатного рисунка (фото, сеточный или офсетный способы). Выбор способа пайки ЭРЭ формирует требования к элементам печатного рисунка и взаимной ориентации этих элементов. Для изделий 1-2-й групп сложности применим любой способ формирования рисунка.

Для бытовой РЭС рекомендуется формировать рисунок ПП сеточным и офсетным способами, а для аппаратуры специального назначения - офсетным способом и фотоспособом. Разрабатываемый ПУ относится к аппаратуре специального назначения. При изготовлении ПП будет использован фотоспособ получения рисунка, отличающийся наибольшей разрешающей способностью.

На выбор способа изготовления кроме требований к конфигурации рисунка влияют также частотный диапазон и рабочее напряжение. При частотах до 6 МГц и напряжениях до 50 В допустимы все способы изготовления. До 30 МГц и до 300 В не применяется сеточный способ формирования рисунка, а выше 30 МГц и свыше 300 В ПП изготавливаются только фотоспособом.

Современные РЭС сложно представить без применения технологии поверхностного монтажа - перехода от монтажа компонентов с выводами в отверстия к поверхностному монтажу безвыводных компонентов в микрокорпусах или компонентов с планарными выводами. Его преимущества по сравнению с традиционными методами:

повышение плотности компоновки (многие компоненты, предназначенные для монтажа, имеют шаг расположения контактных площадок, равный 1,25 мм или 0,625 мм, и их можно монтировать на двух сторонах платы);

снижение затрат на изготовление ПП (устраняются операции сверления монтажных отверстий, их очистки, металлизации и контроля);

исключение некоторых подготовительных операций при сборке (выпрямление, обрезка, формовка выводов);

повышение надежности соединений.

3.3 Определение вариантов установки ЭРЭ

На данном этапе топологического проектирования ПП осуществляется выбор вариантов установки ЭРЭ с определением габаритно-установочных размеров по ОСТ 4.010.030-81 «Установка навесных элементов на печатные платы». Эта процедура необходима для определения габаритных размеров ПП (или возможности размещения ЭРЭ на печатной плате при заданных габаритах с учетом обеспечения теплового и механического режимов работы ЭРЭ), выбора геометрических моделей, применяемых в пакетах САПР ПП и геометрических примитивов (упрощенных изображений) в конструкторской документации.

Конструкторский анализ элементной базы состоит в определении: массы, габаритных размеров, установочной площади Si, диаметра выводов dв ЭРЭ.

Масса и габаритные размеры применяемых компонентов влияют на выбор варианта и места установки ЭРЭ и способа его дополнительного крепления.

Диаметры выводов ЭРЭ необходимы для расчета диаметров монтажных отверстий.

Габаритные размеры, а точнее установочные площади, позволяют предварительно оценить площадь ПП.

Установочная площадь Si ЭРЭ вычисляется по формуле:

Si = 1,3∙L∙B

где L и В - длина и ширина ЭРЭ по установочным размерам, в соответствии с вариантом установки по ОСТ 4.010.030-81.

Поскольку, в общем случае, Si может определяться длиной и высотой ЭРЭ, шириной и высотой или вариантом расположения на плате (рисунок 4.4) и иметь при этом разные значения, то желательно определять минимальную и максимальную установочные площади. [24]