Выбор и описание метода компоновки устройства

Разработка компоновочного эскиза устройства

Геометрическая компоновка ЭВМ - процесс размещения на плоскости или в пространстве основных элементов изделия для обеспечения максимального полезного эффекта, определяемого принципиальной электрической схемой и назначением изделия при минимальных геометрических его размерах.

В отечественной промышленности применяются следующие типы печатных плат: односторонние, двусторонние, многослойные, гибкие и проводные.

При компоновке платы обеспечивается свободный доступ ко всем элементам ТЭЗ, что облегчает обслуживание и ремонт данного устройства.

К компоновочным характеристикам относятся: геометрические размеры, вес, мощность источников питания, время работы, условия работы операторов их количество, а также различные коэффициенты, связывающие электрические, функциональные параметры с компоновочными.

Существуют 3 основных метода компоновки: графический, аналитический и модельный.

Некоторые рекомендации:

1. Ключевые транзисторы.

1.1 Биполярные транзисторы.

Выбор начинают с проверки соответствия быстродействия транзистора и предпологаемой рабочей частоты преобразователя. При этом граничная (эта та на которой его коэффициент усиления равен единице) частота транзистора должна быть больше реальной частоты преобразования, желательно, во много раз. Иными слоавами для нашей техники лучше всего подходят высокочастотные транзисторы. После того как разобрались с быстродействием, производим выбор по допустимой коммутируемой мощности, иными словами ток коллектора транзистора должен превышать максимальный ток в первичной цепи, и допустимое напряжение эмитер-коллектор также должно превышать максимальное прикладываемое к транзистору напряжение в любой момент времени. Это напряжение зависит от схемотехники инвертора, у мостового и полумостового оно пимерно равно напряжению питания (без учета индуктивного выброса), у инвертора, трансформатор которого имеет среднюю точку, это напряжения достигает значения удвоенного напряжения питания (также без учета индуктивного выброса). Теперь, если выполняются эти условия, выбранные таким образом транзисторы смогут работать в предполагаемой конструкции. Работать то они будут, но как? Чтобы все было "идеально" параметры нужно оптимизировать. Начнем с коэффициента усиления: известно, что ток коллектора у биполярного транзистора с током базы связан через параметр h21. Говоря проще, ток коллектора больше тока базы в h21. Исходя из этого можно сделать вывод, что лучше применять транзисторы значение этого параметра у которых как можно больше. Это позволит повысить КПД за счет снижения затрат на управление транзисторами, да и потом, транзистор с большим значением этого параметра проще ввести в режим насыщения. Далее чтобы меньше мощности потерять на транзисторе (при этом он будет меньше греться), нужно чтобы его напряжение насыщения (напряжение коллектор-эмитер в открытом состоянии) было как можно меньше, ведь мощность выделяемая на транзиторе равна произведению тока, протекающего через него, и падению напряжения на нем, и еще забыл сказать, что максимальная мощность рассеяния коллектора (приводится в справочнике) должна быть не меньше реально выделяемой, иначе транзистор не справится (мгновенно выйдет из строя).

Пример:

Необходимо подобрать транзисторы для преобразователя с мощностью 200Вт, первичное напряжение 12В, частота преобразования 40 кГц, преобразователь построен с использованием трансформатора со средней точкой.

Приступим. Подсчитаем какие минимальные требования должен выполнять транзистор: время переключения не больше чем 1/400000Гц = 0,000025 Сек или 25 микро Секунд, ток коллектора должен быть не менее, чем 200Вт/12В = 16,7 А (по идее можно в два раза меньше, т к преобразовател двухтактный, но лучше оставить так - будет значительно надежней), напряжение коллектор-эмитер не меньше удвоенного напряжения питания (т к преобразователь построен с использованием трансформатора со средней точкой) т е 24В. Вроде бы все посчитали и тперь открываем справочник по мощным биполярным транзисторам и смотрим их параметры (можно скачать с QRZ.ru). Нас интересуют мощные ключевые (переключательные транзисторы). Мне приметился транзистор "КТ898А" который имеет параметры: h21= 750..., Ft= 10МГц, Uкэ = 350В (перебор конечно но много не мало - не пробьет это точно), Uкэ нас= 2В, Pк= 125Вт, Iб мах= 0,5А. Считаем дальше: мощность выделяемая на коллекторе в виде тепла - 16,7А * 2В= 33.4Вт, на максимально допустимая у транзистора 125Вт, значит подходит. Расчитываем ток управления, т к в справочнике дан интервал для коэффициента h21, то задаемся нижним значением интервала как значением h21, т е h21= 750, расчитываем минимальный ток упраления: Iупр мин= 16,7/750= 0,022 А, т е 22 мА. Меньше чем это значение ток управления выбирать нельзя, иначе транзисторо не будет открываться полностью (до насыщения) и на нем будет выделяться избыточная мощность. Так же ток управления не может превышать максимального тока базы транзистора, т е 0,5А. Таким образом нам нужно чтобы схема управления давала нам ток базы ключевого транзистора не менее 22 мА и не более 500 мА. Чем больше будет этот ток тем надежней транзистор будет открываться, но и при этом будут довльно большие потери на управление (при питании от 12В потери при токе управления 0,5А будут состовлять 12 * 0,5= 6Вт) поэтому из двух зол выбирайте, то которое вам больше подходит :). В итоге мы выбрали транзисторы которые стоят 45 руб за один, т е за пару уже 90 руб, ужас! это одна из тех причин по которым я предпочитаю полевики.

1.2 Полевые транзисторы.

На мой взгляд это наиболее хорошо подходящие транзисторы для преобразовательной техники. Преимуществ перд биполярными у них уйма, а самое что привлекательное, цена ниже :). Наиболее важные преимущества полевиков, на мой взгляд следующие:

Первое преимущество полевого транзистора очевидно: поскольку он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

Второе преимущество полевого транзистора можно обнаружить, если вспомнить, что в биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор приобретает, благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано хорошо нам знакомое время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора. В полевых врюзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.

Третье преимущество обусловлено повышенной теплоустойчивостью. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя.

Четвертое. Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число MOSFETов без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассимметрирования токов, что, очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности.

Пятое преимущество полевого транзистора связано с его тепловыми свойствами - полное отсутствие вторичного пробоя. Это преимущество позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности.

Что касается выбора транзисторов, то порядок примерно тот же самый, т е быстродействие затем мощность. Если рассматривать транзисторы фирмы IRF, то они почти все подходят по быстродействию для преобразовательных устройств (речь идет о ключевых транзисторах). Напряжение исток-сток также выбирается из тех же соображений, что и для биполярных, максимальный ток стока также выбирается с запасом, здесь это выбрать гораздо проще, т к полевые транзисторы имеют довольно большие допустимые токи стока и их разнообразие очень большое, чего не скажешь про биполярные - биполярные транзисторы с током коллектора больше 20 А это уже редкость, а если еще и высокочастотные, то это можно назвать дефицитной дорогой редкостью. Полевые транзисторы не имеют напряжения насыщения, у них есть аналогичный параметр - сопротивление открытого канала, у транзисторов с допустимым напряжением до 150 В оно составляет десятки миллиом, у более высоковольтных - омы. Чем меньше значение этого сопротивления тем ближе параметры транзистора к идеальным и тем меньше потери. Мощность потерь (рассеяния) в открытом состоянии определяется как квадрат тока умноженный на сопротивление открытого канала. Естественно, чем меньше будет это значение, тем меньше будет транзистор греться. Аналог параметра h21 у полевого транзистора это крутизна характеристики. Этот параметра связывает между собой ток стока и напряжение на затворе, иными словами ток стока определяется как произведение напряжения на затворе и крутизны характеристики транзистора. Как правило ключевые транзисторы имеют большую крутизну характеристики, что и определяет их ключевые свойства. Еще у этого вида транзисторов есть так называемое пороговое напряжение на затворе - это минимальное значения управляющего напряжения достаточное для введения транзистора в абсолютно открытый режим (насыщение). При проектировании необходимо чтобы минимальное напряжение на затворе не было ниже порогового, иначе вся мощность будет выделяться на транзисторе а не на нагрузке, т к он не полностью открыт, т е он работает не в ключевом режиме и сопротивление его канала довольно высоко. Такой режим работы, как правило, транзисторы не выдерживают - после включения выгорают с небольшой (или большой) задержкой. Параметр мощность рассеяния коллектора для биполярного транзистора имеет аналогичный для полевого - мощность рассеяния стока. Параметры абсолютно идентичны.

Тот же пример:

Начнем. Также как и для биполярного рассчитываем силовые параметры, но до этого выполним расчет времени переключения 1/400000Гц = 0,000025 Сек или 25 микро секунд, ток стока должен быть не менее, чем 200Вт/12В = 16,7 А, напряжение сток-исток не меньше удвоенного напряжения питания (т к преобразователь построен с использованием трансформатора со средней точкой) т е 24В. Теперь нам понадобится справочник по силовым полевым транзисторам или сводная таблица параметров (можно найти на http://tryhub.by.ru/ ). Так как видов транзисторов много и они все нас устраивают по силовым параметрам, выбираем по значению сопротивления открытого канала (или по цене), берем тот транзистор у которого этот параметр самый минимальный. К примеру я бы выбрал IRFZ48N, его основные параметры: Uс-и= 55 В, Uз-и мах=20В, Ic= 64А, Pc= 140Вт, R открытого канала = 0,016 Ом. Я выбрал именно этот транзистор потому, что он стоит не на много дороже похожих на него, но его характеристики значительно лучше, также он себя неплохо зарекомендовал при испытаниях, иными словами, нравится мне этот транзистор. Чтобы снизить цену можно также использовать транзисторы IRFZ34N, IRFZ44N, IRFZ46N, IRF540N (это широко распространенные), можно и уйму других. Стоимость этих транзисторов отличается на 2 - 8 рублей, а параметры я бы оценил гораздо дороже. Посчитаем мощность рассеяния стока: 16,7 А * 16,7А * 0,016= 4,46 Вт, как видим значение отличается почти на порядок по сравнению с биполярным транзистором. Расчет управляющей цепи делать здесь не обязательно, важно лишь учесть, чтобы значение напряжения прикладуемого к затвору было больше порогового уровня (8 В), но не превышало 20 В (справочное значение), какое бы оно ни было (разумеется не ниже порогового), это не сильно скажется на потерях на управление, они в любом случае не будут превышать 1 Вт, ими даже можно вообще пренебречь. Оценим также экономическую сторону вопроса: наш выбор обойдется нам 28 руб за один транзистор, и 54 руб за пару. Сравнивая после этого биполярные и полевые транзисторы я думаю вам понятно почему я предпочитаю именно полевые. Парадокс получается... параметры значительно лучше, а цена ниже почти в два раза, как же так?

2. Выпрямительные диоды.

На сегодняшний день широко распространено три основных видов диодов: кремниевые, германиевые, диоды Шотки (конечно есть еще и арсенид галлиевые. индиевые и другие, но они очень редки). Эти разновидности диодов много чем отличаются, но для нас решающее значение играют быстродействие, прямое падение напряжения, максимальный прямой ток и максимальное обратное напряжение. По быстродействию кремниевые и германиевые примерно находятся на одном уровне, но диоды Шотки отличаются очень значительным быстродействием по сравнению с предыдущими. Прямое падение напряжения для каждого вида свое, наибольшее оно у диодов из кремния (около 1 - 1,5 В), у германиевых поменьше (примерно 0,7В), и совсем маленькое у диодов Шотки (до 0,4В). Максимальный прямой ток у всех видов диодов не имееет никаких конкретных особенностей и ограничений, он зависит от технологии изготовления диода. Чего не скажешь про обратное напряжение, у кремниевых оно принимает самые высокие значения, у германиевых - пониже, у диодов Шотки совсем маленькое - плата за малое прямое падение напряжения. Так же диоды Шотки обладают, по сравнению с остальными, довольно большой ценой, это связано с технологией изготовления (у диодов Шотки P-N-переход представляет собой переход полупроводник(P)-металл(N), в качестве которого используется золото). Из выше изложенного следует, что выбирать диоды стоит по параметрам и по их стоимости, а лучше в сочетании. Для получения большего КПД следует выбирать диоды с минимальным прямым падением напряжения и большим быстродействием. Из отечественных диодов можно отметить следующие типы, наиболее пригодные для использования в данной схемотехнике, это кд213, кд2997, кд2998, кд2999 для низковольтных силовых цепей и диоды типа кд226 для высоковольтных цепей. Справочник по диодам можно скачать с QRZ.ru.

3. Широто-импульсный модулятор (ШИМ).

На сегодняшний день рынок переполнен микросхемами для импульсных источников питания. Выпускаются как ШИМы для однотактных так и для двухтактных источников, а также универсальные. Существуют как специальные, так и общего применения. Специальные в основном применяются для электронных балластов, миниатюрных зарядных устройств и т п. Общего применения это все те с которыми нем первое время предстоит работать. Еще микросхемы можно разделить по большому числу признаков например частота, мощность, тип корпуса, внутренняя структура и др. Для нас наиболее важным является внутренняя структура, а именно количество усилителей ошибки, наличие схемы "мягкого старта", вид выходного каскада. Из микросхем общего применения могу на сегодняшний день выделить две наиболее популярные - TL494 и SG3525 (и ее прототипы). Оценивая эти две микросхемы можно сказать, что вторая обладает большими преимуществами, но и ценой тоже. Зато у первой есть огромные плюсы - ее широкое распространение и невысокая цена. По количеству усилителей ошибки микросхемы одинаковы (у обоих два), у TL494 нет внутри схемы мягкого запуска, зато это несложно сделать снаружи (одна RC цепочка), но по виду выходного каскада TL494 сильно уступает SG3525. Дело в том, что у 494 выходной каскад однотактный, то есть по одному транзистору (можно включить как по схеме ОЭ так и ОК) на каждый выход. У SG3525 выход двухтактный, то есть он представляет собой выходной каскад усилителя мощности, такая структура подтягивает выход, то к плюсу питания, то к массе (общей шине). Эта структура предназначена для прямого подключения к ней МОП (полевые со структурой Металл-Окисел-Полупроводник) транзисторов без цепей быстрого заряда/разряда емкости затвора, т е эта цепь уже встроена в микросхему. У TL494 этого нет, а жаль, но в компенсацию этого она имеет низкую цену. По цене TL494 с цепями заряда/разряда емкости затвора не уступает той же SG3525. Так что выбирайте то, что вас больше нравится. По этому вопросу обычно большое значение играют габаритные размеры, если вам нужно сделать как можно меньше (например для носимого электрошокового средства защиты) то рекомендую SG3525, если габариты не сильно важны (например для автомобильного усилителя) то рекомендую TL494. Чуть не забыл сказать, что у TL494 существует отечественный аналог КР1114ЕУ3 (назначение выводов отличается) или КР1114ЕУ4 (полное соответствие), а также микросхема выпускается и другими буржуйскими фирмами и они называют ее по-своему например: фирма SHARP (Япония) выпускает микросхему IR3M02, фирма FAIRCHILD (США) - А494, фирма SAMSUNG (Корея) - КА7500, фирма FUJITSU (Япония) - МВ3759.

4. Транзисторы для цепей быстрого заряда/разряда емкостей затворов.

Для применения в этих цепях рекомендую использовать ВЧ транзисторы с малым падением напряжения на нем в открытом состоянии. Эти цепи можно строить как на биполярных так и на полевых транзисторах. Чаще конечно на биполярных (на полевых не встречал вообще) наверно из-за их большей доступности и большого количества наименований - есть из чего выбрать. Все рекомендуют применять транзисторы типа кт646, кт626, или кт972, кт973 для двухтактных каскадов, но как показала практика подходят также банальные кт315 и кт361. Для однотактных схем рекомендуют кт626, кт973, некоторые импортные, также неплохо подходят кт361 и кт3107. Особое внимание при построении этих схем следует уделить выбору диода, а именно прямому падению напряжения на нем.

ОКР

3.3 Способы компоновки

Рассматривая вопросы компоновки, необходимо подчеркнуть, что решение этой задачи может осуществляться как при проектировании функционального узла, так и при разработке субблоков, блока или всего устройства в целом.

В первом случае при компоновке предполагается рациональное взаимное расположение электрорадиокомпонентов на печатном основании, обеспечивающее нормальную работу разрабатываемого модуля, микромодуля, пленочной или гибридной схемы и т. д.

Во втором случае имеется в виду проектирование более крупного объекта, состоящего из отдельных конструктивно законченных функциональных узлов, обеспечение такого взаимного расположения последних, которое в максимальной степени удовлетворяло бы основным технологическим требованиям.

К числу наиболее важных требований могут быть отнесены надежность, малые габариты и вес, быстродействие электронных и электромеханических устройств, обеспечение теплоотвода, оптимальное резервирование, ремонтоспособность, технологичность конструкции, минимальная сумма затрат, необходимых для осуществления процессов проектирования и производства.

Наконец, в третьем случае идет речь о проектировании большей части прибора или всего устройства. Рациональная компоновка является одним из важнейших факторов, определяющих общую стоимость систем, разрабатываемых на миниатюрных и микроминиатюрных функциональных узлах. Это особенно ярко проявляется в вычислительной технике, так как при разработке вычислительных машин используется большое число типовых функциональных узлов, объединенных в блоки.

Именно на стадии конструирования любого радиоэлектронного устройства, в частности, при решении вопросов оптимальной компоновки сборочных элементов, узлов и блоков, появляются наибольшие возможности дальнейшего совершенствования аппаратуры: уменьшение габаритных размеров и веса, сокращение путей передачи сигналов в схемах, повышение надежности за счет улучшения условий теплообмена, а также снижения количества механически паянных и сварных контактных точек.

При трехстадийном проектировании в первую очередь решаются вопросы выбора типоразмеров корпусов, методов внутрисхемных соединений, а также вопросы проектирования выводов из разрабатываемого узла. На второй стадии основное внимание уделяется вопросам рационального взаимного расположения функциональных узлов в пределах субпанели или субблока, обеспечивающих максимальное быстродействие, высокую надежность и хороший теплоотвод при наименьших габаритных размерах блока или всего прибора.

Наконец, в процессе общей компоновки устройства или всей вычислительной машины, кроме перечисленных мероприятий, уделяется особое внимание вопросам резервирования, ремонтоспособности и технологичности конструкции в целом.

Остановимся более подробно на процессах компоновки радиоэлементов при проектировании функционального узла, а затем - субблока, выполненного на общем печатном основании (субпанели).

Принципиально в том и в другом случае могут быть применены плоский или объемный метод взаимного расположения компонентов с той разницей, что в первом случае размещаются радиодетали (или эквивалентные им радиоэлементы), а во втором - конструктивно законченные функциональные узлы.

3.4 Компоновка приборов и аппаратов с учетом электромагнитной совместимости составных частей и изделия

<7 8910 11 12 13 >

Дата добавления: 2017-01-29; просмотров: 1867;