Программная и аппаратная часть автоматизированной сигнализации по GSM каналу (стр. 6 из 7)
Площадь печатной платы рассчитывается исходя из установочной площади с учетом коэффициента использования площади KS по формуле:
Для KS =0,5 Snn= 4178 mm2.
Исходя из того, что рекомендуется выбирать размеры печатной платы близкими по величине, найдем сторону печатной платы квадратной формы:
mmС учетом того, что плата устанавливается в корпус в специальные направляющие, необходимо увеличить размеры платы на 1мм с каждой стороны, т.е. L = 67 mm. Откуда Snn = 4489 mm2.
Примем размеры платы такими: 70x70 mm.
Размещение элементов и трассировка проводников
На схеме электрической принципиальной видно, что из-за небольшого количества элементов можно сделать предварительный вывод о том, что следующая задача трассировки будет решена в виде односторонней трассировки, то элементы на печатной плате расставим примерно в той же последовательности, в какой они размещены на схеме. Для экономии места некоторые элементы имеет смысл развернуть в горизонтальной или вертикальной плоскости либо немного сдвинуть относительно других элементов. За счет уменьшения числа пересечений проводников на плате можно добиться оптимального варианта: однослойной печатной платы. Однако в нашем случае из-за сложности печатной платы этого добиться не удалось и используется двухсторонняя печатная плата.
Разработка конструкторского блока
Блоком называется конструктивный модуль, который служит для электрического, механического и пространственного объединения ячеек (субблок, конструктивный модуль, объединяющий микроэлектронные узлы и обеспечивающий их защиту от различного рода воздействий), а также для их защиты от различного рода внешних воздействий.
Определение размеров блока
Размеры блока будут определятся размерами печатной платы. Высота самого высокого элемента на печатной плате будет влиять на высоту разрабатываемого конструкторского блока.
Исходя из того, что толщина печатной 2 mm, длины выводов элементов 1,5 mm, высота зазора между платой и элементами 2 mm и высота самого высокого элемента на плате 10,1 mm найдем высоту печатной платы с установленными на ней элементами: H = 2 + 1,5 + 2 + 10,1 +2*2 = 19, 6 (mm). Отсюда HБл блока с учетом зазора 2 mm между печатным узлом и корпусом и толщиной корпуса 2 mm будет: HБл = H + 2*2 + 2*2 = 27,6 ≈ 28 mm.
Найдем также длину и высоту блока: LБл= BБл= 70 + 2*2 + 2*2=78 mm. Отсюда LБлxBБлxHБл блока будут 78x78x28
Эскиз печатной платы, блока и лицевой панели.
3.5.5 Конструкторские расчеты
Расчет температуры нагретой зоны ведется по методике лабораторных работ, при этом поверхность элемента заменяется ее тепловой моделью, в которой поверхность элемента представляется в виде параллелепипеда. Целью расчета является определение температуры поверхности наименее теплостойких элементов для оценки их надежности.
В эксплуатации разрабатываемое изделие подвергается воздействию температуры окружающей среды или температуры помещения, механическим воздействиям.
Температурные воздействия снижают надежность и являются одним из дестабилизирующих факторов. Характерными дефектами, вызванными тепловыми воздействиями, являются ухудшение изоляционных свойств материалов, изменения параметров перехода полупроводниковых приборов, значений емкостей и сопротивлений ЭРЭ, снижение механических свойств полимерных материалов.
При расчете температуры поверхности элемента его поверхность заменяется ее физической тепловой моделью, в которой поверхность элемента представляется в виде параллелепипеда. Полученные результаты являются ориентировочными и не претендуют на высокую точность. Целью расчета является определение температуры поверхности элемента для оценки его надежности.
Таблица 3. Предельное значение температур для каждого элемента
| Элемент | Максимальная температура среды t˚C |
| Диод КД522 | 85 |
| Стабилитрон КС 147А | 125 |
| Конденсатор 10-17Б | 125 |
| Конденсатор 10-17Б | 125 |
| Конденсатор К50-20 | 70 |
| Конденсатор К52-10-1 | 85 |
| Резистор С2-33H(300ом) | 150 |
| Резистор С2-33H(1ком) | 150 |
| Кварцевый резонатор | 85 |
| HC-49SM | |
| Микроконтроллер | 85 |
| Attiny 2313 | |
| Разъем WF-2 | 70 |
| Разъем WF-4 | 70 |
| Разъем WF-6 | 70 |
| Стабилизатор LM7805 | 60 |
| Кнопки | 70 |
Определим эквивалентный коэффициент теплопроводности самого нетермостойкого элемента в корпусе.
Самым нетермостойким является стабилизатор LM7805, он имеет самый низкий верхний предел допустимых рабочих температур (60˚С). Если его температура при максимальной температуре эксплуатации (40˚С), не превышает предельно допустимой для нее температуры, то и для остальных элементов выполняется это условие, и следовательно, доработки конструкции не требуется.
Рассчитаем площадь занимаемую элементом по формуле:
SЭ = Lэ*Bэ,
Где LЭ = 0,04 m – длина элемента, BЭ= 0,03 м – ширина элемента.
Получили: SЭ = 0,0012 м2
Теперь рассчитаем размер эквивалентного источника
Получаем:
Рассчитаем критерий Био по формуле:
,Где
Вт/м2 
К коэффициент теплоотдачи на поверхности платы (в данной методике применяется одинаковым для обеих сторон платы); 
м – толщина ПП; 
Вт/м К – теплопроводность материала платы 
.Рассчитаем относительный перегрев по формуле:
Тепловая проводимость между элементом и платой определяем по формуле:
Вт/КПроводимость между элементом и поверхностью корпуса:
Где
Вт/м2 К – коэффициент теплопередачи на поверхности корпуса, s = 0,0000012 м2 – площадь части поверхности, с которой происходит контакт. 
Вт/КРассчитаем собственный перегрев элемента:
,Где
Вт/К – тепловая проводимость между ПП и корпусом (для воздушной прослойки), 
Вт – мощность, рассеиваемая элементом. 
Проверим условие:
По приближенным оценкам
< 
. В результате расчетов получили, что условие выполняется для самого слабого элемента, следовательно, система не нуждается в защите от тепловых воздействий, так как это условие и для других элементов.Расчет на механические воздействия
Вся РЭА подвергается воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию.
Причинами механических воздействий являются вибрации и удары при возможном падении с места установки и при работе механизмов имеющих контакт с плоскостью установки РЭС.
Механические воздействия приводят к поломкам и деформациям несущих конструкций, отслаиванию печатных проводников, обрывам проводов, паразитной модуляции сигналов и др. Наибольшее разрушительное воздействие на конструкции оказывают вибрации.
Целью расчета является определение действующих на элементы изделия перегрузок при действии вибрации и ударов, а также максимальных перемещений и определение защищенности от механических воздействий.
При расчете используются данные из таблиц «Геометрические размеры компонентов» и «Перечень компонентов». Рассчитаем цилиндрическую жесткость платы:
Где
– модуль упругости материала ПП (стеклотекстолит);