Розробка конструкції та техніко-економічне обґрунтування таймера-регулятора потужност

Розробка конструкції та техніко-економічне обґрунтування таймера-регулятора потужност

Міністерство освіти і науки України

Харківський радіотехнічний технікум

Циклова комісія „Радіотехнічних дисциплін”

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до дипломного проекту

ДП xxxxxx414 012 000 ПЗ

Виконав:

Керівник:

Студент групи xxxx

ХАРКІВ 2008р.

ЗАЛІКОВИЙ ЛИСТ

ХАРКІВСЬКИЙ РАДІОТЕХНІЧНИЙ ТЕХНІКУМ

Циклова комісія „РАДІОТЕХНІЧНИХ ДИСЦИПЛІН”

Спеціальність xxxxxx„Конструювання, виробництво і технічне обслуговування радіотехнічних пристроїв”

Курс - 4

Група - xxxxx

Семестр - 7

Курсовий проект

Студента Xxxxxxа xxxxxxx xxxxxxxx

на тему: “Таймер-регулятор потужності”

ДОПУЩЕНИЙ ДО ЗАХИСТУ

ОЦІНКА________________

Заступник директора з навчальної роботи

Голова циклової комісії

Керівник проекту xx.Xxxxxx

Консультант економічного розділу xxxx

Консультант з охорони праці xxxxxxx

Протокол № від „__”_____________2008 року

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ РАДІОТЕХНІЧНИЙ ТЕХНІКУМ

Циклова комісія РАДІОТЕХНІЧНИХ ДИСЦИПЛІН „ЗАТВЕРДЖУЮ”

Спеціальність xxxxxxКонструювання, Зав. Відділення

виробництво і технічне обслуговування xxxxxxx

радіотехнічних пристроїв. «___»__________2008р.

ЗАВДАННЯ

На дипломний проект

Тема проекту: “Розробка конструкції та техніко-економічне обґрунтування таймера-регулятора потужності”

Основні технічні данні: Розробити таймер-регулятор потужності. Розрахувати стабілізатор постійної напруги з випрямлячем:

Вихідна напруга Uвих. = 12.5±0.5 В

Коефіцієнт стабілізації Кст = 200

Пульсації вихідної напруги U~m вих. = 0,006 В

Робоча температура Т = 25±10єC

Живлення від мережі f = 50 Гц, напруга мережі Uвх. = 220В±10%

1. До складу пояснювальної записки повинні входити:

Вступ

1. Огляд аналогічних пристроїв

2. Вибір та обґрунтування проектованого пристрою

3. Розрахункова частина

4. Конструкторсько-технологічна частина

5. Розрахунок надійності

6. Охорона праці та навколишнього середовища

7. Технічне обслуговування та ремонт проектованого пристрою

8. Економічна частина

Висновки Перелік посилань

3. Графічна частина повинна включати:

- схему електричну принципову - ф. А1;

- креслення друкованої плати - ф. А1;

- складальне креслення друкованої плати - ф. А1;

- схему електричну структурну;

- алгоритм пошуку несправностей.

Дата видачі завдання : „21” квітня 2008р.

Дата здачі виконаної роботи: „18” червня 2008р.

Керівник курсового проекту

Протокол № 100 від „28” березня 2008 року

ЗМІСТ

Вступ

1. Огляд аналогічних пристроїв

2. Вибір та обґрунтування проектованого пристрою

3. Розрахункова частина

4. Конструкторсько-технологічна частина

5. Розрахунок надійності

6. Охорона праці та навколишнього середовища

7. Технічне обслуговування та ремонт проектованого пристрою

8. Економічна частина

Висновки

Перелік посилань

Додатки

Додаток А - перелік елементів до схеми електричної принципової

Додаток Б - специфікація до креслення складального

Один з них я вибрав в цьому проекті. Пристрій призначений для регулювання робочої температури електропечей, електроплит і інших подібних навантажень з великою тепловою інерцією. Але він може виконувати і інші функції - періодично з певною частотою і дірчатістю вмикати-вимикати світлову рекламу, світлові ліхтарики чи звукову сигналізацію.

Розробка регулятора потужності з таймером являється актуальною темою.

1 ОГЛЯД АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ

Симісторний регулятор потужності.

Застосування симіторів у регуляторах потужності та в різноманітних автоматичних комутаторах утруднене із-за необхідності забезпечення порівняно великого струму управляючого електроду - 150 мА для симісторів серії КУ 208. Управління симістором постійним струмом вимагає великої потужності, а при імпульсному управлінні необхідний формувач, що забезпечує короткі імпульси в момент проходження мережевої напруги через «нуль» і загальний вивід, спільний з одним з мережевих провідників.

Простий регулятор, що не створює шуму.

Цей триністорний регулятор відноситься до пристроїв, в яких комутація триристорів відбувається в моменти переходу мережевої напруги через «нуль», а потужність регулюється зміною числа напівперіодів напруги, що підводиться до навантаження.

Оптрон МОС3083 відрізняється від звичайних тим, що містить внутрішній вузол, що забезпечує відкриття його фотосимістора в моменти переходу прикладеної до нього змінної напруги через нуль, так що в ці ж моменти відкривається і потужний симістор VS1, включений в коло навантаження. Цим забезпечений низький рівень імпульсних перешкод, що створюються таймером-регулятором в мережі живляння. Диференцируюче коло C9R22 захищає симістор від відкриття кидками мережевої напруги.

Перемикач SA2 дозволяє змінити коефіцієнт заповнення (відношення тривалості до періоду повторення) імпульсів струму, що проходить через випромінюючий діод оптрона SU2 десятьма ступенями по 10 %. Такими ж ступенями змінюється і потужність, що виділяється на навантаженні. У нижньому (по схемі) положенні перемикача на виході елементу DD2.4 встановлений високий постійний рівень, що відповідає безперервно включеному навантаженню.

Змінюючи тривалість циклу регулювання потужності змінним резистором R7, можна встановити її оптимальною для конкретного навантаження. Якщо навантаженням служать лампи розжарювання, вдається спостерігати цікаві світлові ефекти.

3 РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

3.1 Розрахунок стабілізатора напруги на трьох транзисторах

Згідно до завдання на ДП необхідно розрахувати стабілізатор постійної напруги (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 - Схема електрична принципова стабілізатора на трьох транзисторах

Дані для розрахунку

1 Напруга на виході стабілізатора

Uвих. = 12.5 ±0,5 В

2 Нестабільність напруги на виході стабілізатора

Рст. вих. = 0,0005

3 Напруга на виході мережі

Uвх. = 220 ±10% В з частотою f = 50 Гц

4 Нестабільність напруги мережі

Рст. вх = 0,1

5 Необхідний коефіцієнт стабілізації

Кст = Рст. вх. / Рст. вих. (3.1.1)

Кст = 0.1/0.0005 = 200

6 Пульсації на виході

U~m вих. = 0,006 В

Кп вих. = (U~m вих. / Uвих.)*100% (3.1.2)

Кп вих. = (0.006/12.5)*100% = 0.048 %

7 Робоча температура

Тmax = 35єC

Tmin = 15єC

?T = 20єC

1 Розрахунок регулюючого транзистора

1.1 Максимальний струм регулюючого транзистора

Ік max = Ін max = 1А

Беремо транзистор КТ814В з параметрами:

Uке = 65 В

Uке min = 3 В

Ін max = 12А

Ік обр. = 0.015 А

Рк доп. = 1.5 Вт

h21е min = 40 при Ік = 1А

Rtк = 1єС / Вт

Тк max = 80єC

1.2 Амплітуда пульсацій на вході стабілізатора

U~m вх. = (0.05ч0.1)*( Uвих. max + Uкэ min) (3.1.3) U~m вх. = 0.07*(13 + 3) = 1.12 В

1.3 Мінімальна напруга на вході стабілітрона

Uo min = Uвих. max + Uкэ min + U~m вх. (3.1.4)

Uo min = 13 + 3 + 1.12 = 17.2 В

1.4 Номінальна напруга на вході стабілізатора

Uон = Uo min / (1 - Рст. вх) (3.1.5) Uон = 17.2 / (1 - 0.1) = 19 В

1.5 Коефіцієнт згладжування

q = Кп вх. / Кп вих (3.1.6)

q = 5.9 / 0.048 = 123 < Кст = 200,

де Кп вх. = (U~m вх. / Uон)*100% (3.1.7)

Кп вх. = (1.12 / 19) * 100% = 5.9%

1.6 Максимальна напруга на вході стабілізатора

Uо max = Uон * (1 + Рст. Вх) (3.1.8)

Uо max = 19 * (1 + 0.1) = 20.9 В

1.7 Величина внутрішнього динамічного опору випрямляча

Riв = (0.05ч0.15)* Uон / Ік max (3.1.9)

Riв = 0.1 * 19 / 1 = 1.9 Ом

1.8 Максимальна напруга на вході стабілізатора (при максимальному струмі навантаження)

Uо max max = Uо max + Riв *( Ін max - Iн min) (3.1.10)

Uо max max = 20.9 + 1.9 *(1 - 0.5) = 21.85 В

1.9 Максимальна напруга між колектором та емітером

Uке max = Uо max max - Uвих. min (3.1.11)

Uке max = 21.85 - 12 = 9.85 В

1.10 Максимальна потужність розсіювання на транзисторі

Рк max = Uке max * Ік max (3.1.12)

Рк max = 9.85*1 = 9.85 Вт > Рк доп. = 1.5 Вт

1.11 Площа тепловідводу транзистора

Sт = Рк max / Kт *( Тк max - Тmax - Рк max * Rtк) (3.1.13)

Sт = 9.85 / 0.0016*(80 - 35 - 9.85*1) = 9.85 / 0.0016*35.15 = 9.85 / 0.05624 = 175 ммІ = 1.75 смІ

1.12 Максимальний струм емітера регулюючого транзистора

Іе max = Ік max + Ік max / h21е min (3.1.14)

Іе max = 1 + 1 / 40 = 1.025 А

1.13 Максимальний струм бази регулюючого транзистора

Іб max = Іе max / h21е min (3.1.15) Іб max = 1.025 / 40 = 0.0256 А

1.14 Шукаємо транзистор по величині струму

Ік2 = 1.1* Іб max (3.1.16)

Ік2 = 1.1 * 0.0256 = 0.2816 А

По струму Ік2 беремо транзистор П601БИ з параметрами

Uке max = 30 В

Ік max = 0.5 А

Рк доп. = 0.5 Вт

h21е min” = 80 при Ік = 0.5А

Іб2 = Іе max / h21е min*h21е min” = 1.025 / 40*80 = 0.00032 А < 0.0005 А

1.15 Величина опору автозміщення Rб транзистора П601БИ

ІRб = (1 ч 1.5)*Ік обр. (3.1.17)

ІRб = 1.2*0.015 = 0.018 А

Rб = Uвих. min / ІRб (3.1.18)

Rб = 12 / 0.018 = 670 Ом

Потужність на опорі

РRб = (ІRб)І*Rб (3.1.19)

РRб = (0.018)І*680 = 0,254 Вт

Беремо опір типу С2-23- 0.5 - 680 Ом

1.16 Потужність на транзисторі П601БИ

Рк2 = Рк max*Ік2 (3.1.20)

Рк2 = 9.85*0.028 = 0.278 Вт < Рк доп. = 0.5 Вт

2 Розрахунок пристрою порівняння та ППС

2.1 Величина еталонної напруги

Uоп. < Uвих. min - (2 ч 3)В (3.1.21)

Uоп. < 12 - 2 = 10 В

Іоп. cт. min > 5*Ібн (3.1.22)

Іоп. cт. min > 5*0,0004 = 0,002 А

Беремо стабілітрон типу Д810 з параметрами

Uст н = 10 В

Uст min = 9 В

Uст max = 10.5 В

Іст min = 0.002 А

Іст max = 0.026 А

бст 0.058 при Т = -20 ч +20єС

Rдин = 12 Ом при Іст = 0,005 А

2.2 Величина струму та напруги колектора транзистора

Іку ? 8*Ібн (3.1.23)

Іку ? 8*0.0004 = 0.0032 A

Uк = Uвих. max - Uст min (3.1.24)

Uк = 13 - 9 = 4 В

Беремо транзистор КТ342Б з параметрами:

Uке дод. = 20 В

Ік max = 0.02 A

Pк дод. = 0.15 Вт

h21е min = 50

2.3 Струм бази транзистора ППС

Uк = Uвих. max - Uст min (3.1.25)

Uк = 13 - 9 = 4 В

2.4 Вхідний опір транзистора ППС

Rвх. ппс = 1 / (25ч35)*Іку (3.1.26)

Rвх. ппс = 1 / 25*0,0032 = 12,5 Ом

2.5 Величина опору Rг2

Rг2 = Uвих. min - Uст max / Іст min + Іку (3.1.27)

Rг2 = 12 - 10.5 / 0.002 + 0.0032 = 290 Ом

Потужність розсіювання на ньому

Рг2 = (Іст min + Іку)І*Rг2 (3.1.28) Рг2 = 0.00002704*290 = 0.00784 Вт

Беремо резистор С2-23-0.125-320

2.6 Максимальний струм скрізь стабілітрон

Іст max =((Uвих.max - Uст min) / Rг2) + Іку (3.1.29)

Іст max = ((13 -9) / 320) + 0.0032 = 0.0157А = 15.7 мА < Іст max = 26 мА

2.7 Величина струму у опірному дільнику

Іділ >> Іб ппс = 30*0.000064 = 0.002А (3.1.30)

2.8 Опір резистивного дільника

Rділ = Uвих. min / Іділ (3.1.31)

Rділ = 12 / 0.002 = 6.25 кОм

2.9 Коефіцієнт зворотного зв'язку дільника

Кз.в. min = Uст min / Uвих. max (3.1.32)

Кз.в. min = 9 / 13 = 0.69

Кз.в. = Uст н / Uвих. (3.1.33)

Кз.в. = 10 / 12.5 = 0.8

Кз.в. max = Uст max / Uвих. min (3.1.34)

Кз.в. max = 10.5 / 12 = 0.875

2.10 Величина опорів R1 та R3 дільника

R1 ? (1 - Кз.в. max )*Rділ (3.1.35)

R1 ? 0.125*6000 = 750 Ом

РR1 = (Іділ)І*R1 (3.1.36)

РR1 = 0.000004*750 = 0.003 Вт

Беремо резистор С2-23-0.125-750

R3 ? Кз.в. min*Rділ (3.1.37)

R3 ? 0.69*6000 = 4100

РR3 = (Іділ)І*R3 (3.1.38)

РR3 = 0.000004*4000 = 0.016 Вт

Беремо резистор С2-23-0.125-4.3к±10%

2.11 Опір змінного резистора R2

R2 ? Rділ - R1 - R3 (3.1.39)

R2 ? 6000 - 750 - 4300 = 950 Ом

Беремо резистор СП2-2а-1.3к

2.12 Максимальний ККД

Ю = Uвих. max *Ін max / Uо max*Ік max (3.1.40)

Ю = 13*1 / 20.9*1 = 0.622

2.13 Основний коефіцієнт стабілізації

Кст. осн = (Кз.в. / Rвх. ппс)*(Rк.с / А)*( Uвих. / Uон) , де (3.1.41)

а) 1/ Rк.с = (Rк1+Rк2) / Rк1*Rк2 = (240000 + 30000) / 72*100000000

Rк1 = R1к*h21е min” = 3000*80 = 240000 Ом

Rк2 = 30000 Ом (для транзистора П601БИ)

Rк.с = 720000 / 27 = 26.7 *1000 Ом

б) А = 1 + (Rділ *(1 - Кз.в.)*Кз.в. / h21е min ) / Rвх. ппс = 1 + (6000*0.2*0.8/50)/ 12.5 = 1 + 1.536 = 2.536

Кст. осн = 0.8*26700*12.5 / 12.5*2.536*19 = 267000 / 602.3 = 443.3

2.14 Коефіцієнт стабілізації

Кст. = Кст. осн = 443.3 > 200 (3.1.42)

2.15 Фактичний коефіцієнт пульсацій та амплітуда на виході стабілізатора

Кп. вих. = Кп. вх. / Кст. (3.1.43)

Кп. вих. = 5.9 / 443.3 = 0.0133 %

U~m вих. = Кп. вих.*Uоп. (3.1.44)

U~m вих. = 0.000133*10 = 0.00133 =1.33 мВ

3.2 Розрахунок випрямляча з фільтром

Згідно до завдання на ДП необхідно розрахувати випрямляч з фільтром (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - Схема електрична принципова випрямляча з фільтром

Дані для розрахунку

1 Напруга в навантаженні

Uо = 19 В

2 Струм навантаження

Iо = 0,5 А

3 Коефіцієнт пульсацій напруги в навантаженні

Кп = 5,9 % = 0,059

4 Напруга і частота живлячої мережі

Uмер. = 220 В з f = 50 Гц

Розрахунок

1.Потужність нагрузки:

Ро = Io * Uо (3.2.1)

Ро = 0,5 * 19 = 9,5 Вт

2. Падіння напруги на дроселі

Uдр = 0,15 Uо (3.2.2)

Uдр = 2,85 В

3 Постійна напруга на вході згладжуючого випрямляча

Uпост = Uо + Uдр (3.2.3)

Uпост = 19 + 2,85 = 21,85 В

4 Обираємо однофазну мостову схему.

Визначаємо активний опір трансформатора

Rтр = Kr * Uпост * a / Io * f * Bm (3.2.4)

де a = = 2,53

Kr = 3,5 Bm = 1,4 Тл

S = 1

Rтр = 3,5 * 21,85 * 2,53 / 0,5 * 50 * 1,4 = 5,53 Ом

5 Обираємо тип вентилю

Іов = 0,5Iо (3.2.5)

Іов = 0,25 А

Iтв = 0,5F * Iо (3.2.6)

Iтв = 0,5 * 6 * 0,5 = 1,5 А

Uобр = 1,41В * Uпост (3.2.7)

Uобр = 1,41 * 21,85 = 30,8 В

де В = 1

F = 6

Обираємо вентиль типу Д214 (4 шт.) з параметрами:

Uобр = 100 В

Іов макс = 2 А

Середня пряма напруга Uпр ? 1 В

6 Внутрішній опір вентилю

Ri = Uпр / 3 Іов (3.2.8)

Ri = 1 / 3 * 0,75 = 1,33 Ом

7 Повний активний опір фази вентилю

Rв = Rтр + 2Ri (3.2.9)

Rв = 5,53 + 2,66 = 8,2 Ом

8 Індуктивність дроселя трансформатора

Ls = KL * S * Uпост / Io * f * Bm * a (3.2.10)

Ls = 0,005*1*21,85 / 0,5*50*1,4*2,53 = 0,0012 Гн

де KL = 0,005

9 Величина розрахункового параметра

А = П * Io * Rв / m * Uпост (3.2.11)

А = 3,14*0,5*8,2 / 2*21,85 = 0,29

10 Кут зсуву фаз за рахунок Ls

Ј = arctg(2П*f* Ls / Rв) (3.2.12)

Ј = arctg 0,0459 = 3°

В = 1,09

D = 2,17

F = 6

H = 600

11 Визначимо величини необхідні для розрахунку трансформатора

U2 = B*Uпост (3.2.13)

U2 = 1,09*21,85 = 23,82 В

I2 = 0,707* D*Io (3.2.14)

I2 = 0,707 * 2,17* 0,5 = 0,77 А

I1 = Kтр * I2 (3.2.15)

I1 = 0,07 А

де Kтр = U2 / U1 = 0,108

Ртип = 0,707 * В * D * Io * Uпост (3.2.16)

Ртип = 0,707*1,09*2,17*0,5*21,85 = 18,27 В*А

12 Уточнюємо величину Rтр та Rв

При Ртип до 40 В*А і f = 50 Гц для сталі Е340 значення Bm = 1,55 Тл

Rтр = 3,12 Ом

Ls = 0,0015 Гн

Rв = 3,12 + 2,66 = 5,78 Ом

13Уточнюємо параметри вентилю та трансформатора

А = 0,21

Ј = arctg(2П*f* Ls / Rв) (3.2.17)

Ј = arctg 0,081 = 5°

В = 1

D = 2,21

F = 6,4

H = 440

Iов = 0,5 А

Uобр = 1,41*1*21,85 = 30,8 В < Uобр доп = 100 В

U2 = 1*21,85 = 21,85 В

I2 = 0,707*2,21*0,5 = 0,78 А

Ктр = 21,85/220 = 0,099

I1 = 0,099*0,707*2,21*0,5 = 0,077А

Ртип = 0,707*0,78*2,21*21,85 = 26,63 В*А

14 Вибираємо П-образний LC фільтр

Коефіцієнт пульсацій на вході фільтру:

Кп.вх. = 100Н / RвСо (3.2.18)

Задаємося ємкістю конденсатора на вході фільтру такої величини, щоб значення Кп.вх було менше 3 %

Со = 100 мкФ

Кп.вх. = 76%

15 Коефіцієнт згладжування фільтру

q = Кп.вх. / Кп.вих. (3.2.19)

q = 0,76/ 0,1 = 7,6

16 Амплітуда змінної напруги на конденсаторі Со

U~m = Кп.вх. * Uo (3.2.20)

U~m = 0,076*21,85 = 1,7 В

Вибираємо конденсатор типу К50-27 з умови:

Uраб конд = 50 В > U2m = 1,41U2 = 33,6 В

U-m конд > U~m

U~m конд = 6%

Uраб конд = 0,06*50 = 3 В > U~m = 1,7 В

Конденсатор С1 на виході фільтру вибераєм того ж типу що і С0

17 Індуктивність дроселя фільтру

L = 10(q + 1) / mІ * C1 (3.2.21)

L = 10*8,6 / 4 * 100 = 0,215 Гн

Вибираємо уніфікований дросель типу Д4-0,6-0,12 параметри якого наступні:

L = 0,6 Гн

I0 = 0,12 А

U~др доп = 5 В

U~ m др доп = 1,41 U~др доп = 7 В > U~m = 3,8 В

18 Фактичний коефіцієнт згладжування

q = mІ * C1 * L / 10 (3.2.22)

q = 24

Фактичний коефіцієнт пульсації напруги в навантаженні

Кп.вих. = Кп.вх. / q (3.2.23)

Кп.вих. = 0,76 / 24 = 0,032

19 ККД випрямляча

n = Ро ном / Ро ном + Рв + Ртр + Рф (3.2.24)

де Ро ном = Ро = 9,5 Вт

Рв = Io * 2 * Uпр = 1 Вт

Ртр = Ртип(1- nтр) = 26,63*0,1 = 2,663 Вт

Рф = Uдр*Io = 2,85*0,5 = 1,425 Вт

n = 9,5 / 9,5+1+2,663+1,425 = 0,65 або 65%

4 КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА

4.1 Конструкторська частина

Згідно з технічним завданням було розроблено корпус для схеми „Регулятор потужності з таймером”. Друкована плата має три отвори для кріплення на корпус.

Корпус являє собою пластикова коробка (120х92,5х20), що складається з двох деталей. Товщина пластика складає 5мм у всіх стінках. Перша, основна, має на основі чотири піднесені циліндри зі спеціальними отворами для шурупів на місцях, які зазначені на рисунку друкованої плати. Вони піднесені на 7 мм від стінки основи. Завдяки їм плата тримається у корпусі нерухомою.

В корпусі є отвори для змінних опорів R7 та R20, перемикачів SA1 та SA2,а також індикатора HL1.

В якості вмикача живлення існують клеми з фіксацією, що кріпляться укомплектованою гайкою на праву стінку корпусу, що входить до першої деталі. Провідниками (ПХВ.М - 2.5) з`єднуються із самою платою.

Таким чином ми маємо зручний і досить компактний корпус для регулятора потужності з таймером.

4.2 Технологічна частина

4.2.1 способи виготовлення друкованої плати

Друкована плата є плоскою ізоляційною підставкою, на одному чи обох боках якої розташовані металеві провідники, відповідно до електричної схеми.

Друкована плата служить для монтажу на ній електрорадіоелементів за допомогою напівавтоматичних і автоматичних установок з подальшим одночасним паянням всіх ЕРЕ зануренням в розплавлений припій або на хвилі рідкого припою ПОС.

До друкованої плати пред'являється ряд вимог по точності розташування провідного малюнка, по величині опору ізоляції діелектрика, механічної міцності і тд. (ГОСТ 23752--79). Однією з основних вимог є забезпечення здатності до паяння, що досягається відповідним вибором гальванічного покриття і технологією металізації, тому у виробництві друкованої плати особливу увагу надається хіміко-гальванічним процесам.

Виготовлення друкованої плати (ГОСТ 2.417-91) здійснюється хімічним, електрохімічним або комбінованим способом. Останнім часом набули поширення нові способи виготовлення - аддетивні. Нижче дана коротка характеристика кожного із способів.

Вихідним матеріалом при хімічному способі служить фольгований діелектрик, на поверхню якого з одного або двох боків наклеєна мідна фольга завтовшки 35-50 мкм.

На поверхню мідної фольги спочатку наноситься захисний малюнок (рельєф) так, щоб він закрив провідники при витравленні міді. Захисний малюнок схеми виконується стійкими до дії травильних розчинів матеріалами. Потім слідує операція витравлення, в результаті якої повністю витравлюється мідь і створюється провідний малюнок.

У зарубіжній практиці даний спосіб називають субтрактивним. Отвори для установки виводів електрорадіоелементів свердляться або штампуються після витравлення міді і не металізуються. Паяння виводів електрорадіоелементів проводиться безпосередньо до контактних майданчиків друкованих провідників.

Електрохімічний спосіб в зарубіжній літературі і частково у вітчизняній практиці називають напіваддитивним від латинського слова «additio» (складання), оскільки провідний малюнок створюється в результаті електрохімічного осадження металу, а не витравляння. Префікс «напів» означає, що в технології виготовлення збережена операція витравлення тонкого шару металу, який утворюється по всій поверхні плати при хімічній металізації.

Вихідними матеріалами в цьому випадку служать нефольговані діелектрики. Захисний малюнок на відміну від попереднього методу наносять так, щоб відкритими залишалися ті ділянки поверхні, які підлягають металізації з метою утворення провідникових елементів схеми.

Електрохімічний спосіб передбачає отримання металізованих отворів одночасно з провідниками і контактними майданчиками.

Комбінований спосіб є поєднанням перших двох способів. Вихідним матеріалом служить фольгований з двох сторін діелектрик, тому провідний малюнок одержують витравленням міді, а металізація отворів здійснюється за допомогою хімічного міднення з подальшим електрохімічним нарощуванням шару міді. Паяння виводів електрорадіоелементів проводиться за допомогою заповнення припоєм монтажних отворів в платі.

Комбінований метод в даний час є основним у виробництві двосторонньої і багатошарової друкованної плати для апаратури найрізноманітнішого призначення.

Аддитивний метод полягає в створенні провідного малюнка за допомогою металізації достатньо товстим шаром хімічної міді (25--35 мкм),

що дозволяє виключити застосування гальванічних операцій і операцій витравлювання. Вихідним матеріалом при цьому служить нефольгований діелектрик. Виключення вищезгаданих операцій дозволяє істотно зменшити ширину провідників і зазори між ними, що у свою чергу забезпечує можливість збільшити густину монтажу на платі. Крім того, як показав досвід, вживання цього методу рядом фірм США сприяє зниженню вартості плати на 15-20 %, а також витрат хімікатів, скороченню виробничих площ і складу устаткування. До 10 % плат, що виробляється в Європі і США, виготовляються адитивним методом. Більш широкому його розповсюдженню перешкоджають патентні обмеження.

4.2.2 Хімічний спосіб виготовлення плат

Послідовність основних технологічних операцій позитивним і негативним методом відрізняється.

Негативний метод - для отримання захисного рельєфу методом фотодруку як фотошаблон використовується негативне зображення провідного малюнка плати, тобто пробільні місця чорні, а провідники - оптично прозорі. Таким чином, проходячи через світлі ділянки потік ультрафіолетового проміння при експонуванні полімеризує фоторезист, нанесений на поверхню заготовки, утворюючи захисний рельєф.

Позитивний метод - захисний шар наноситься на провідний малюнок, бо витравлювання здійснюється металевим покриттям, тому захисний рельєф наноситься на пробільні місця і для фотодруку використовується позитивне зображення плати.

Негативний метод найбільш поширений у виробництві плат побутової радіоапаратури, він характеризується мінімальною трудоємністю і можливостями автоматизації всіх операцій. Як метод отримання захисного рельєфу при цьому використовується найдешевший в масовому виробництві спосіб трафаретного друку - сіткографія із застосуванням фарби, що полімеризується за допомогою ультрафіолетового опромінювання.

Хіміко-механічна підготовка поверхні фольги може проводитися також на автоматичній лінії ГГМ 1.240.006. Захисна маска з епоксидної смоли наноситься на поверхню плати так, щоб відкритими були тільки контактні майданчики провідників, які залужуються припоєм ПОС при виконанні монтажних операцій.

Провідники, захищені епоксидним покриттям, обробці не піддаються і цим досягається значна економія олов'яного сплаву. Епоксидна захисна маса наноситься також способом трафаретного друку. Пробивка отворів звичайно проводиться штампуванням за допомогою кривошипних пресів.

З досвіду одного з підприємств захист провідників від лудіння при паянні виводів радіоелементів здійснюється за допомогою їх хімічної пасивації (хромування), оскільки хромова плівка на міді запобігає змочуванню її припоєм.

Захисна маска на контактних майданчиках служить потім флюсом при паянні на хвилі припою.

Головною перевагою даного методу є виключення з технології операції нанесення маски з епоксидної смоли, що представляє велику професійну шкідливість.

Позитивний метод застосовується вельми рідко і обмежується звичайно виготовленням смужкових плат. Як гальванічне покриття при цьому служить срібло з товщиною шару 9-12 мкм.

Плата з одностороннім або двостороннім розташуванням провідників без металізації отворів можуть бути виготовлені способами штампування, перенесення а також нанесення струмопровідних фарб (паст).

Спосіб штампування рекомендований для масового виробництва, при цьому як підставка служить будь-який діелектрик, у тому числі і картон. Мідна фольга завтовшки 35 мкм, змотана в рулон, з одного боку покрита

адгезійним шаром. Цим шаром фольга накладається на діелектрик, при штампуванні вирубка провідників комбінується з їх притиском до діелектрика. Непотрібна частина фольги відділяється. Потім плата піддається нагріву в пресованому положенні для полімеризації адгезійного шару з метою міцного зчеплення провідників з підложкою. Метод ефективний для плат масового виробництва з відносно простою схемою провідників.

Операція витравлення не застосовується, тому мідь витрачається по прямому призначенню, а відходи міді використовуються для переплавлення. Даний спосіб - найдешевший по витраті матеріалів і якнайменше трудомісткий.

Спосіб перенесення полягає в отриманні провідного малюнка на тимчасовій металевій підложці і потім перенесення його на діелектрик. Як тимчасова підложка служить пластина з корозійностійкої сталі типу 18ХН9Т. На пластині одержують захисний малюнок, як і при позитивному процесі, тобто пробільні місця закриті фоторезистом або фарбою.

Потім пластину піддають гальванічному мідненню в кислих електролітах і на ній утворюється провідний малюнок з міді завтовшки 35-50 мкм. Фоторезист або фарба відділяється, а пластина з провідним малюнком притискається до діелектрика, на поверхню якого нанесений клейовий шар.

Провідний малюнок легко відділяється від поверхні корозійностійкої сталі і приклеюється до діелектрика унаслідок дуже слабкого зчеплення електрообложеної міді з корозійностійкою сталлю. Як і у попередньому випадку, плата піддається нагріву в пресованому поляганні для полімеризації клейового з'єднання.

Метод перенесення доцільний в умовах дослідницького і дрібносерійного виробництва за відсутності очисних споруд і умов для утилізації міді з травильних відходів. Технологічний процес є прикладом безвідходної технології.

Спосіб отримання провідного малюнка за допомогою електропровідних фарб або паст ще не одержав широке вживання в промисловості через відсутність відповідних матеріалів необхідної якості, проте він є вельми перспективним і економічним для отримання плат широкомовної апаратури.

4.2.3 Електрохімічний спосіб отримання друкованої плати

Цей спосіб здійснюється за допомогою наступних основних операцій: нарізка заготовок, свердлення отворів, що підлягають металізації, підготовка поверхні; хімічного міднення; посилення міді гальванічним мідненням; нанесення захисного рельєфу на пробільні місця; гальванічне міднення; гальванічного покриття сплавом олово-свинець; видалення захисного рельєфу; витравлення міді з пробільних місць.

Вихідним матеріалом служить нефольгованний текстоліт, на обидві якого сторони нанесений адгезійний шар з епоксидно-каучукової композиції.

Підготовка поверхні діелектрика полягає в її хімічній обробці сумішшю хромової і сірчаної кислот, в результаті якої на поверхні утворюються мікрозападини, що забезпечують хорошу адгезію металізованого шару і хорошу змочуваність водними розчинами. Операція витравлення в даному процесі характеризується дуже малою тривалістю (до 1 хв), оскільки витравленню підлягає вельми тонкий шар хімічно обложеної і посиленої гальванічно до товщини 5-7 мкм міді. При витравленні такого тонкого шару міді ефект бічного затравлення практично відсутній, що дозволяє одержувати дуже вузькі провідники шириною до 0,15 мм і з таким же зазором між провідниками.

Таким чином, технологічний процес виготовлення друкарської плати електрохімічним (напіваддитивним) способом звільняє від необхідності фольгувати міддю діелектрики і забезпечує підвищену густину монтажу на платі, що обумовлює можливість у ряді випадків замінити складну у виробництві багатошарову друкарську плати на двосторонні. Нижче приведені характеристики окремих операцій і умови їх виконання.

Заготовки із текстоліта нарізаються з урахуванням технологічних полів на одноножових або багатоножових ножицях. На технологічному полі свердляться фіксуючі отвори відповідно до рекомендацій. Підготовка поверхні проводиться таким чином. Знежирену поверхню діелектрика піддають хімічній обробці з метою додання гідрофільності і виявлення в адгезійному шарі мікронерівностей. Видалення залишків хромових з'єднань з поверхні заготовки проводиться в наступній послідовності: промивка у воді, нейтралізація в розчині NaOH (5-10 %), повторна промивка, нейтралізація в розчині HCI (50-100 г/л), ще одна промивка у воді.

Для видалення продуктів реакції промивання водою чергують з промиванням в солянокислому розчині гидроксиламіна (20 г/л) і лужному розчині трилона Б. Поверхня адгезійного шару після того, що витравлення набуває рівномірний матовий відтінок унаслідок створення мінкрошороховатості. Свердлення отворів, що підлягають металізації, здійснюють за допомогою твердосплавних свердел.

Перед хімічним міднення заготовка обезжирюється в лужних розчинах з добавками ПАВ, а потім активується в суміщеному розчині. Рекомендується заготовки плат перед активацією промивати в розчині соляної кислоти (50 г/л), щоб уникнути розбавлення розчину-активатора водою.

Подальші операції технологічного процесу: нанесення захисного рельєфу, гальванічне міднення, гальванічне покриття сплавом олово-свинець, видалення захисного рельєфу і труїння міді з пробільних місць.

У виробничій практиці зустрічаються інші різновиди технологічного процесу, відмінні від приведеного вище, але в даний час вони застосовуються рідко, наприклад при виготовленні смужкових плат з нефольгованних діелектриків. Характерною особливостю цих процесів є вживання рідких фоторезистів, які наносяться на плату до свердлення отворів під металізацію.

Одним з варіантів електрохімічного процесу є так званий «тентинг-процес». В цьому варіанті заготовка друкованої плати, в якій просвердлені отвори, металізується повністю хімічним, а потім - гальванічним мідненням з товщиною шару 25-30 мкм. Далі за допомогою сухого плівкового фоторезисту завтовшки 40-60 мкм і фотошаблону-негативу виходить захисний малюнок з плівки фоторезисту, що перекриває всі отвори і захищаючі їх від попадання травильного розчину. Як і в звичному хімічному методі, провідний малюнок тут утворюється після труїння міді. Провідники, контактні майданчики і стінки отворів лудяться сплавом ПОС гарячим способом по методу «Льовельер» або ППВ (покриття припоєм з вигладжуванням). Тентинг-процес дає добрі результати при виготовленні багатошарової плати з внутрішніми переходами з діелектрика, обидві сторони якого покрито 5- або 35-мікронною мідною фольгою.

Основними операціями технологічного процесу є: свердлення отворів; анодування в 20 % розчині H2SO4 при Ia=1,5 А/дм2 протягом двох годин для отримання оксидної плівки, що підвищує електроізоляційні властивості поверхні; нанесення ізоляційного шару; хімічне міднення всієї поверхні із «затяжним» гальванічним мідненням.

Подальші операції виконуються в описаній вище послідовності. Як ізоляційний шар краще використовувати порошкові фарби ПЕП-219 з оплавленням кожного шару при температурі 180 оС.

Підготовка поверхні перед хімічним мідненням здійснюється таким чином. Після знежирення в розчині тринатрійфосфату проводиться обробка в ацетоні, розбавленим водою відносно 2:1, протягом 10 хв для підвищення гідрофільності поверхні, а потім затруювання в розчині наступного складу: хромовий ангідрид (30 г/л), сірчана кислота (650 мл/л) при температурі 50-60 °С із подальшою промивкою і нейтралізацією.

З метою забезпечення необхідної міцності зчеплення провідників з підложкою передбачено створення мікрошорсткості поверхні за допомогою того, що труїння в сірчанохромовій суміші. Ця операція викликає серйозні ускладнення у виробництві, пов'язані з токсичністю хромових з'єднань і необхідністю вживання заходів по знешкодженню відходів.

Оброблюваний діелектрик у вигляді плівкового матеріалу поміщається між алюмінієвою пластиною і епоксисклотканиною, по зовнішній поверхні якої виконує поворотно-поступальна рухи електрод з чотирьох циліндрів.

На рухомий електрод і алюмінієву пластину подається напруга від високочастотного генератора (20-40 кГц) величиною 1,4 кВ. Густина струму, при якій виникають коронні розряди, складає 1,5 мА/см2. В результаті дії коротких розрядів поверхня стає мікрошорсткою.

Технологічний процес електрохімічної металізації заготівок при використовуванні різних плівкових матеріалів складається з операцій: очищення (звичне), сушка, обробка коротким розрядом, активація, обробка в розчині «прискорювача», хімічного міднення і гальванічного міднення.

4.2.4 Комбінований спосіб

Залежно від методу нанесення захисного малюнка провідників при витравленні міді комбінований спосіб може здійснюватися в двох варіантах: негативному, коли захистом від витравлення служать фарба або фоторезист, і позитивному, коли захисним шаром служить металеве покриття (металорезист). Назви ці способи одержали від фотошаблону, що використовується при створенні захисного рельєфу: в першому випадку при експонуванні малюнка використовується негатив друкарської схеми, в другому - позитив. Комбінований метод виготовлення друкарської плати застосовується рядом підприємств з дрібносерійним виробництвом.

Негативний комбінований спосіб має наступні недоліки:

- При свердленні отворів на виході свердла утворюються заусенці і створюються напруження, направлені на відрив контактного майданчика. Для збереження контактного майданчика в конструкції плат передбачається збільшення діаметру контактного майданчика (ширини поясочка) на 0,6-0,8 мм. Ця вимога приводить до зниження густини монтажу.

- У результаті витравлення міді на початку процесу діелектрик залишається “голим” для дії агресивних гальванічних розчинів і активних флюсів (HCI). З цієї причини опір ізоляції готової плати на порядок нижче, ніж при позитивному процесі.

- У зв'язку з тим, що гальванічна металізація здійснюється в пристосуваннях, що закривають отвори з однією сторони, товщина шару металу в отворі дуже нерівномірна; часто мають місце випадки відшаровування металу при перепаюванні деталей.

- Процес передбачає багато ручних операцій.

- Операция покриття сплавом РbSn особливо токсична через виділення продуктів, що містять свинець і кадмій.

Недоліком позитивного комбінованого способу є нестійка дія фоторезистів на основі полівінилового спирту при виконанні двократної гальванічної обробки, що створює великі труднощі у виробництві (зачистка і т. п.).

До недоліків обох способів можна віднести наступні:

- Розрив технологічного процесу через застосування ручних операцій лакування, що вимагає високої кваліфікації маляра.

- Свердлення через лакову плівку погіршує стійкість свердел.

- Рідкі фоторезисти створюють захисний малюнок товщиною не більше 12 мкм, тоді як гальванічне осадження міді і покриття проводиться на товщину від 30 до 60 мкм (і більше). В результаті цього метал наростає за межі малюнка провідного шару і це «розростання» доводиться зрізати скальпелем, що пов'язане з великими витратами часу і застосуванням ручнї роботи.

Негативний спосіб легше освоюється через знижені вимоги до стійкості фоторезисту і можливості труїння в будь-яких розчинах (у тому числі Fе2CI3), позитивний - забезпечує більш високу густину монтажу і кращі діелектричні властивості плати, він дозволяє також здійснювати автоматизацію окремих операцій, наприклад гальванічне осадження.

Обидва способи характеризуються значною трудомісткістю, оскільки в технологічних процесах використовується багато ручних операцій, тому вони можуть використовуватися лише в умовах дослідного і дрібносерійного виробництва. Найперспективнішим є позитивний спосіб, здійснюваний по так званому базовому технологічному процесу, структура якого аналогічна вищевикладеному напіваддитивному процесу. До основних операцій процесу можна віднести нарізка заготівок і свердлення

отворів, що підлягають металізації; підготовчі операції; хімічне міднення; потовщення шару міді до 5-7 мкм гальванічним мідненням; нанесення захисного рельєфу на пробільні місця; гальванічне міднення; гальванічне покриття сплавом олово-свинець; видалення захисного рельєфу; труїння; обрізання по контуру, оплавлення покриття олово - свинець; маркування, консервацію, упаковку.

Процес забезпечує отримання зазорів між провідниками і ширину провідників до 0,2 мм.

Підготовчі операції перед хімічним мідненням заготівок плат з просвердленими отворами можуть здійснюватися в двох варіантах:

1) Механічна зачистка з метою видалення заусенців і дефектів на поверхні фольги в поєднанні з хімічними операціями. Послідовнічсть виконання технологічних операцій є такою: механічна зачистка фольги, хімічне знежирення, промивка в гарячій і холодній воді, затруювання, промивка в холодній воді, активація, промивка в уловлювачах, промивка в холодній воді, обробка в розчині «Прискорювач», промивка в холодній воді.

2) Електролітичне полірування. Послідовність операцій: хімічне знежирення, промивка в гарячій і холодній воді, активація, промивка в уловлювачах, промивка в холодній воді, електролітичне полірування, промивка в холодній воді.

Використовуючи комбінований метод, можна виготовляти плати з підвищеною густиною монтажу. В цьому випадку початковим матеріалом служить текстоліт, фольгованний дуже тонкою мідною фольгою (товщина фольги 5 мкм). Мідна фольга захищається від можливих пошкоджень, при зберіганні, транспортуванні і свердленні отворів мідним або алюмінієвим листовим протектором завтовшки 50-75 мкм. Матеріал з мідним протектором одержав назву «Слофадіт», а з алюмінієвим протектором - СТПА.

Після свердлення отворів в заготовці і операції хімічного міднення протектор відділяється від поверхні фольги і укладається в окрему тару для подальшої здачі підприємствам кольорової металургії як вторинна сировина. Заготовка піддається гальванічній металізації («затягуванню») і іншим операціям приведеним вище.

Тривалість операції труїння зменшується в 5 разів, оскільки товщина шаруючої міді, що підлягає витравленню, складає 10-12 мкм замість 45-50 мкм у разі застосування звичайних фольгованих діелектриків. В результаті цього ефект бічного затруювання практично виключається і досягається можливість отримання вузьких провідників шириною до 0,15 мм і таких же зазорів між ними, що характерно для плат, що виготовляються по напіваддитивній технології.

Технологічний процес виготовлення двобічної друкованної плати комбінованим методом з матеріалу типа «Слофадіт» забезпечує підвищену густину монтажу (клас 3 згідно з ГОСТ 23751-79), що дозволяє у багатьох випадках багатошарові плати в 6-8 шарів замінити на двосторонні.

Широке вживання мікрозбірок, інтегральних схем і виробів сучасної напівпровідникової техніки привело до того, що при монтажі їх на друкованну плату різко зросла комутація між ними і з'явилась необхідність розміщення провідників в різних, ізольованих один від одного шарах багатошарової плати. Багатошарові з'єднання здійснюються через металізовані скрізні отвори, тому і метод виготовлення БДП одержав назву «метод наскрізної металізації». Інші способи міжслойового з'єднання застосовуються дуже рідко і тому не передбачені нормативно-технічною документацією .

На заготовках з тонких фольгованих діелектриків, наприклад мазкий СТФ-1 або СТФ-2, хімічним методом одержують провідний малюнок,

використовуючи рідкі або сухі плівкові фоторезисти. Як витравлювачі можуть бути використані різні по типу розчини: кислотні або лужні. При виборі розчину слід зупинитися на тому складі, який прийнятий для основного процесу. Після витравлення міді спостерігається небажана деформація стиснення діелектрика, обумовлена внутрішніми напруженнями, що проявляють свою дію після видалення частини мідної фольги. Величина цих деформацій залежить від характеру провідного малюнка і вона мінімальна у разі вживання діелектриків, фольгованих міддю з двох сторін.

Спочатку на кожному технологічному полі окремо узятого шару з провідним малюнком пробиваються базові або фіксуючі отвори, за допомогою яких при збірці досягається хороше поєднання контактних майданчиків по вертикалі. Кількість отворів встановлюється залежно від розмірів плати нормативно-технічною документацією і доходить до 10.

Для виконання даної операції призначена установка поєднання і штампування базових отворів. Установка розрахована на заготовки плат з максимальним розміром 500x500 мм і мінімальним - 200x200 мм. Крок переміщення столу -10 мм. Точність базування ±0,05 мм. Діаметр базових отворів - 5 мм. Аналогічні отвори пробиваються в листах прокладки склотканини.

Прокладки із склотканини є листами із кручених ниток діаметром 0,1-0,25 мм, просоченої епоксидним лаком ЕД-8-Х. Цей матеріал знаходиться в недополімеринзованому положенні і має наступний склад (мас, частки %): летючі -0,3-1,2; зв'язуючі -45-52; розчинні смоли - 85-100. Час гелеоутворения - 5-15 хв, термін зберігання прокладки із склотканини - 6 міс. Після закінчення цього терміну процеси полімеризації в матеріалі, що протікають мимовільно, погіршують його здібність до склеювання при пресуванні багатошарової плати.

Для забезпечення високої міцності зчеплення поверхні мідних провідників з ізолюючими між шаровими матеріалами необхідно додати їм мікрошорсткість, а ще краще створити оксидний шар відповідною хімічною або струменевою обробкою травильними розчинами складу (г/л): CUCI2-40-45, NH4CI-145-150 або (NH4) 2S2O8 - 200-250, H2SO4 -5-7. Температура розчину - до 60 °С. Для виконання цієї операції випускається установка у вигляді лінії хімічної підготовки шарів перед пресуванням. Лінія модульної конструкції має в своєму складі окремі модулі для затруювання, промивки і сушки заготовок. Швидкість конвеєра регулюється і цим забезпечується необхідна продуктивність і якість обробки.

За наявності великих ділянок міді більш ефективне хімічне оксидування в розчинах типу «Етанол» наступного складу (мас, частки %): NaCIO2-48; NaOH- 40; Na3PO4 - 12. Обробка заготовок проводиться у водному розчині, що містить 180 г/л цього складу, при температурі 90°С до утворення чорного оксидного покриття. Для здійснення цієї операції можна використовувати лінії з комплекту ванн гальванічної лінії АГ, по окремій компоновці.

Збірка пакету проводиться в прес-формі шляхом послідовного укладання окремих шарів БДП і склотканини прокладки із склотканини, кількість листів якої визначається відповідною нормативно-технічною документацією, наприклад три листи завтовшки 0,025 мм для односторонніх шарів. При збірці пакету необхідно звертати увагу на правильне орієнтування ниток склотканини. Для усунення впливу нерівностей поверхні прес-форми, різнотовщинності листів, прокладок і т.п. на них укладаються листи триацетатної плівки, кабельного паперу і інших матеріалів.

Пресування відбувається при постійній температурі (160- 170 °С) в два ступені: перша - при тиску 0,1-0,5 МПа, тривалості її - від 10 до 200 хв залежно від часу гелеоутворения, характерного для даної партії склотканини; друга - при тиску від 2 до 3,4 МПа. Тиск уточнюється для

кожної партії склотканини на основі результатів аналізу при вхідному контролі. Час витримки 50-70 хв. Після охолоджування прес-форми і витягання спресованого пакету слідує обрізання шару на роликових ножицях.

Для забезпечення хорошої якості БДП необхідно стежити за мікрокліматом в приміщенні. Температура повітря в приміщенні повинна бути в межах 23-25°С, відносна вологість - не більше 40%. Приміщення повинне бути знепилено, оскільки попадання порошинок при збірці викликає утворення різних дефектів в БДП.