Разработка экономичной светодиодной печатной платы
Автор: Баринштейн И.М. Email: ira.barinshtein@gmail.com
Аннотация
Работа посвящена проектированию экономичной светодиодной печатной платы в среде Altium Designer. Была разработана электрическая принципиальная схема для управления светодиодом мощностью в 2 Вт, произведена трассировка печатной платы, выполнен монтаж на одностороннюю плату, полученную травлением персульфатом аммония. Помимо разработки печатной платы был проведен анализ экономической составляющей. Была выявлена существенная разница при травлении и монтаже платы вручную и заказе платы на различных заводах.
На сегодняшний день машины выполняют большую часть задач, ранее выполнявшихся человеком. К таким задачам можно отнести доставку грузов, поиск полезных ископаемых и объектов, прокладку кабелей, исследования территорий, на которые человеку будет трудно попасть, ремонтные работы, и другие. Для выполнения подавляющего большинства всех указанных выше актуальных задач необходимо наличие света, чтобы в темноте (например, ночью) можно было вообще что-то увидеть. Однако платы для светодиодов (которые будут освещать) стоят довольно дорого.
Целью данной работы является создание светодиодной печатной платы в Altium Designer с последующим ручным изготовлением методом ЛУТ и проведение экономического анализа для проверки применяемости и актуальности данного метода изготовления печатной платы.
В процессе разработки были поставлены следующие задачи:
Изучение теоретического материала по проектированию печатных плат.
Изучение САПР Altium Designer и создание документации для изготовления печатной платы.
Травление печатной платы методом ЛУТ.
Монтаж электронных компонентов на стеклотекстолит.
Экономический расчет платы и анализ расходов.
Сравнение изготовления плат ручным ЛУТ методом и химическим методом на заводе.
Разработка печатной платы в среде Altium Designer начинается с создания библиотеки схемных компонентов и библиотеки посадочных мест.
Библиотека схемных компонентов содержит УГО электронных компонентов. При создании УГО в AD используется ГОСТ 2.743–91 «ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.» в принципиальной схеме используются диод (рис. 1), транзистор (рис. 2), резистор (рис. 3), разъём (рис. 4). Параметрами схемного компонента являются цифробуквенное обозначение, имя и комментарии. Пример окна из Altium Designer представлен ниже (рис. 5).
Рис. 1. Обозначение диода
Рис. 2. Обозначение транзистора
Рис. 3. Обозначение резистора
Рис. 4. Обозначение разъёма
Рис. 5. Процесс создания компонента в Altium Designer
Для проектирования печатной платы в среде Altium Designer необходимо создать проект с расширением ».PrjPcb», в него нужно добавить следующие файлы:
Файл (».SchDoc») для создания электрической принципиальной схемы.
Файл (».PcbDoc») нужен для создания контура и трассировки платы.
Для электрической принципиальной схемы и монтажной схемы нужно создать библиотеки компонентов:
Библиотека ».PcbLib» необходима для монтажной схемы.
Библиотека ».SchLib» необходима для принципиальной схемы.
Создание электрической принципиальной схемы начинается с добавления компонентов библиотеки на схему. Далее необходимо с помощью инструмента «Wire» создать электрические связи между компонентами. Электрическая принципиальная схема приведена ниже (рис. 6).
Рис. 6. Электрическая принципиальная схема
Проектирование контура и трассировки печатной платы начинается с создания файла ».PcbDoc». При создании 3D модели печатной платы используется несколько слоёв: «Mechanical 1» — для контура компонентов на верхнем слое, «Mechanical 2» — для контура компонентов на нижнем слое, «Mechanical 3» — для цифро-буквенного обозначения компонента на верхнем слое (по ГОСТу VD — диод, VT — транзистор, R — резистор, XP — разъём), «Mechanical 4» — для цифро-буквенного обозначения компонента на нижнем слое (по ГОСТу VD — диод, VT — транзистор, R — резистор, XP — разъём), «Mechanical 5» — для комментариев на плате в верхнем слое, «Mechanical 6» — используется для комментариев на плате в нижнем слое, «Mechanical 6» — создания контура печатной платы, «Top Layer» — верхний слой печатных дорожек, «Bottom Layer» — нижний слой печатных дорожек, , «Top Solder» — маска на вернем слое, «Bottom Solder» — маска на нижнем слое. В слое «Mechanical 18» с помощью инструмента «Wire» создаем квадрат со сторонами 25 мм. Затем заходим в «Design» → «Board Shape» → «Define Board Shape from Selected Objects». И получаем необходимы контур 25 мм.
Созданный макет нужен для того, чтобы можно было распечатать дорожки на принтере.
Для пайки микросхем можно использовать различное паяльное оборудование, начиная от простейшего — паяльника, и заканчивая сложными устройствами и паяльными станциями с использованием инфракрасного излучения [1].
Паяльник
Пинцет
Припой
Флюс
Паяльные пасты
Оплетка для удаления припоя
Пилка
Пленка для утюга
Была создана плата следующим образом:
Прикладывается шаблон, распечатанный на бумаге для лута, к стеклотекстолиту и отмеряется, сколько примерно нужно подготовить места для переноса рисунка. Отмеренная часть натирается пилкой (убирается немного слоя фольги). Накладывается шаблон на плату и переносится с помощью утюга (это делается на пленке). Таким образом, на плате остается шаблон дорожек.
Далее, чтобы создать раствор для травления платы, был изучен паспорт безопасности по использованию персульфата аммония 2. Его состав: 10 г аммония добавить в 90 мл воды (1: 9). Расход порошка при этом получается совсем небольшим. Также не помешает добавить в раствор немного поваренной соли. Это положительно скажется на скорости травления (рис. 7).
Рис. 7. Начальный момент платы в растворе
После травления токоведущие дорожки и контактные площадки печатной платы покрываются припоем с помощью паяльника.
Перед тем как монтировать плату, стоит проверить работоспособность диода (рис. 8).
Рис. 8. Проверка диода
После завершения изготовления печатной платы проверки диода останется только произвести монтаж радиодеталей. Перед пайкой ножки деталей нужно обязательно смочить спирто-канифольным флюсом. После окончания монтажа деталей нужно удалить остатки канифоли с помощью спирта (pис. 9).
Рис. 9. Готовая плата после монтажа
Для того, чтобы был плавный поток тока, мы используем транзистор, которым мы можем управлять с помощью шима Arduino IDE. При открытии транзистора течёт ток по светодиоду. Код для платы испытывался на стенде, а затем на плате для проверки её работоспособности (рис. 10,11). Код представлен в приложении B.
Рис. 10. Проверка работоспособности кода на стенде
Рис. 11. Проверка работоспособности платы
Поскольку элементы печатной платы невозможно сделать в домашних условиях, и доставка производится без них, можно сравнить цены без затрат на комплектующие для монтажа. Тем не менее, в работе приводится полная стоимость производства печатной платы. Для расчёта стоимости заказной платы используется сайт «РЕЗОНИТ» [3]. На сайте плата без монтажа стоит примерно на 1400 рублей дороже созданной. С монтажом — примерно на 4000 рублей.
3D модель платы была разработана в программе Altium Designer, так как это профессиональная программа для разработки микросхем, и она довольна удобна и понятна. Также для создания кода была использована среда разработки Arduino IDE.
В качестве вывода можно сказать следующее:
Была создана работающая плата для светодиода, которая вышла по стоимости на 4000 рублей меньше заказной.
Был сделан вывод, в процессе работы, что просто соединить монтированную плату с аппаратом не получится, поэтому перспектива данной работы создание крепкого герметичного крепления платы.
Список литературы:
Интернет-ресурс (дата обращения: 02.10.2022) URL: https://ydoma.info/tehnologii-remonta/tehnologii-izgotovlenie-pechatnyh-plat.html? ysclid=l9tsgvzzvo947877665
Интернет-ресурс (дата обращения: 21.11.2022) URL: https://www.carlroth.com/medias/SDB-9592-RU-RU.pdf? context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyODAxMTJ8YXBwbGljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0cy9oNDAvaDk3LzkwNjM0MzQ0NTMwMjIucGRmfDNiYmEzM2FjYWRiNTA3MDhiYzc0Mzg0NjQ3YmRkNzJkM2EzM2IxYjJlYzMwMmQwNjU3MjFlMmJlNDU0NDEyNGI
Интернет-ресурс (дата обращения: 09.12.2022) URL: https://www.rezonit.ru/
