Giáo trình thiết kế mạch điện tử (nghề điện tử dân dụng trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ NGHỀ: ĐIỆN TỬ DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: / QĐ-CĐCG ngày … tháng năm…… Trường cao đẳng Cơ giới Quảng Ngãi, năm 2021 (Lưu hành nội bộ) 16 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Thiết kế mạch điện tử lĩnh vực quan trọng ngành điện tử dân dụng, nơi kết hợp sáng tạo kiến thức chuyên môn để tạo vẽ mạch vô đa dạng tiên tiến Những chuyên gia thiết kế mạch điện tử đóng vai trị trung tâm việc phát triển thiết bị điện tử thông minh, từ sản phẩm gia dụng thông thường đến hệ thống tự động cao cấp Trong ngành công nghiệp đại, việc sử dụng mạch điện tử ngày trở nên phổ biến thiếu Các thiết bị điện tử ngày đòi hỏi nhỏ gọn, tiết kiệm lượng, tích hợp nhiều chức đáng tin cậy Chính vậy, người thiết kế mạch điện tử phải đảm bảo linh kiện đường dẫn mạch tối ưu hóa cho hoạt động hiệu ổn định Ở Việt Nam có nhiều giáo trình, tài liệu tham khảo, sách hướng dẫn tập Thiết kế mạch điện tử biên soạn biên dịch nhiều tác giả, chuyên gia đầu ngành điện tử công suất Tuy nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trình đào tạo nhà trường phải bám sát chương trình khung giáo trình Thiết kế mạch điện tử biên soạn tham gia giảng viên trường Cao đẳng Cơ giới dựa sở chương trình khung đào tạo ban hành, trường Cao đẳng Cơ giới với giáo viên có nhiều kinh nghiệm tham khảo nguồn tài liệu khác để thực biên soạn giáo trình Thiết kế mạch điện tử phục vụ cho công tác giảng dạy Giáo trình thiết kế theo mơ đun thuộc hệ thống mô đun MĐ 16 chương trình đào tạo nghề Điện tử dân dụng cấp trình độ trung cấp nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo, sau học tập xong mơ đun này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp môn học, mô đun khác nghề Quảng Ngãi, ngày 15 tháng 12 năm 2021 Tham gia biên soạn Cao Thị Thanh Bình ………… ……… … Chủ biên MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Tuyên bố quyền Lời giới thiệu Mô đun : Thiết ké mạch điện tử Bài 1: Giới thiệu phần mềm vẽ mạch điện tử Orcad phần mềm vẽ mạch điện tử khác Mục tiêu bài: Nội dung bài: 2.1 Giới thiệu phần mềm vẽ mạch điện tử thông dụng 2.1.1 Phần mềm vẽ mạch điện tử Circuit Maker 2.1.1.1 Giới thiệu 2.1.1.2 Chức 2.1.1.3 Ứng dụng 2.1.2 Phần mềm vẽ mạch điện tử Workbench 2.1.2.1 Giới thiệu 2.1.2.2 Chức 2.1.2.3 Ứng dụng 2.1.3 Phần mềm vẽ mạch điện tử Eagle 2.1.3.1 Giới thiệu 2.1.3.2 Chức 2.1.3.3 Ứng dụng 2.2.2Giới thiệu phần mềm vẽ mạch điện tử OrCAD 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Chức 2.2.3 Ứng dụng 2.3Giới thiệu phiên phần mềm vẽ mạch điện tử 2.3.1 Các yêu cầu tối thiểu hệ thống máy tính 2.3.2Yêu cầu hệ điều hành không gian trống ổ đĩa 2.3.3Yêu cầu chuẩn card hình 4Các bước cài đặt phần mềm vẽ mạch điện tử OrCAD 2.4.1 Chạy tập tin Setup 2.4.2 Nhập mã sản phẩm mã tác giả 2.4.3 Chạy Setup chép tập tin cần cài đặt 2.4.4 Chạy Setup chép tập tin Acrobat, Readme 2.5 Thực hành cài đặt phần mềm vẽ mạch điện tử OrCAD 9.2 máy tính 4 14 14 14 14 15 16 17 18 18 19 19 20 21 21 22 23 24 24 24 24 24 24 25 25 26 26 27 27 27 28 2.5.1 Chạy tập tin Setup 2.5.2 Nhập mã sản phẩm mã tác giả 2.5.3 Chạy Setup chép tập tin cần cài đặt 2.5.4 Chạy Setup chép tập tin Acrobat, Readme 2.6 Cài đặt phần mềm bổ trợ khác cho Orcad Bài 2: Thiết kế mạch nguyên lý Capture Mục tiêu bài: Nội dung bài: 2.1 Các bước qui trình vẽ mạch điện nguyên lý 2.1.1 Tạo vẽ sơ đồ mạch điện nguyên lý 2.1.2 Tìm hiểu giao diện Capture 2.1.3 Cách thực tiêu hình cơng cụ 2.2 Chọn đặt linh kiện lên vẽ 2.2.1 Sắp xếp lại linh kiện vẽ mạch điện nguyên lý 2.2.2 Nối mạch điện vẽ đường dây Bus( có) 2.2.3 Gán tên đối chiếu giá trị cho linh kiện 2.2.4 Tạo khối tiêu đề cho trang thiết kế 2.2.5 Lưu trữ sơ đồ mạch điện 2.3 Thực hành vẽ mạch nguyên lý mạch điều chỉnh ổn định tốc độ động 2.3.1 Tạo vẽ sơ đồ mạch điện nguyên lý 2.3.2 Chọn đặt linh kiện diode, điện trở, biến trở, tụ điện, SCR, động lên vẽ mạch điện nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ động 2.3.3 Sắp xếp lại linh kiện vẽ mạch điện nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ động 2.3.4 Nối mạch điện 2.3.5 Gán tên đối chiếu giá trị cho linh kiện 2.3.6 Tạo khối tiêu đề cho trang thiết kế 2.3 Lưu trữ sơ đồ mạch điện 2.4 Bài tập ứng dụng Các bước tạo linh kiện 2.5.1 Xác định loại linh kiện cần tạo 2.5.2 Vẽ hình dạng linh kiện 2.5.3 Đặt chân vào linh kiện 2.5.4 Thêm hình ảnh, ký tự ký hiệu IEEE vào linh kiện 2.6 Sửa đổi linh kiện cũ 2.6.1 Sửa đổi linh kiện thư viện 2.6.2 Sửa đổi linh kiện trang sơ đồ mạch 28 28 28 28 28 29 29 29 30 31 31 32 33 34 36 37 38 40 41 42 43 45 46 48 49 51 51 52 52 56 57 57 57 58 58 2.6.3 Sửa đổi linh kiện tổ hợp mạch 2.3 Thực hành tạo linh kiện IC 2.3.1 Xác định loại linh kiện cần tạo 2.3.2 Vẽ hình dạng linh kiện 2.3.3 Đặt chân vào linh kiện 2.7 Các bước tạo tập tin Netlist 2.7.1Cập nhật thuộc tính linh kiện trang sơ đồ mạch điện 2.7.2Xác định sửa lỗi trang sơ đồ mạch điện công cụ DRC 2.7.3Tạo tập tin Netlist 2.8 Kiểm tra Bài 3: Thiết kế mạch in Layout Mục tiêu bài: Nội dung bài: 2.1 Chuẩn bị thiết kế Capture để dùng với Layout 2.1.1 Vẽ mạch điện nguyên lý dùng cho vẽ mạch in 2.1.2 Tìm hiểu giao diện Layout 2.1.3 Cách thực tiêu hình cơng cụ 2.1.4 Kiểm tra mạch điện với đặc tính DRC 2.1.5 Tạo tập tin Netlist có phần mở rộng MNL dùng cho Layout 2Các bước vẽ mạch in môi trường Layout 2.2.1 Tạo tập tin bảng mạch in 2.2.2 Tạo chân kết nối mạch in linh kiện môi trường Layout 2.2.3 Kiểm tra lỗi mạch với đặc tính DRC 2.2.4 Sắp xếp lại linh kiện bảng vẽ 2.2.5 Định khung mạch in 2.2.6 Định số lớp mạch in 2.3 Chạy chương trình vẽ mạch in tự động 2.3.1 Tạo lỗ bắt vít mạch in 2.3.2 Đặt tên cho mạch in 2.3.3 Lưu trữ tập tin 2.3.4 Đối chiếu chéo mạch in mạch nguyên lý 2.4 Tạo tập tin Netlist có phần mở rộng MNL dùng cho Layout 2.4.1 Tạo tập tin bảng mạch in tập tin chứa trang sơ đồ mạch điện mạch điều khiển tốc độ động DC môi trường Layout 2.4.2 Tạo chân kết nối mạch in linh kiện môi trường Layout 2.4.3 Kiểm tra lỗi mạch điện với đặc tính DRC môi trường Layout 2.4.4 Sắp xếp lại linh kiện bảng vẽ mạch in 2.4.5 Định khung mạch in 2.4.6 Định số lớp mạch in 59 59 59 60 60 60 60 60 60 60 61 61 61 62 62 62 64 64 65 66 67 68 70 71 73 74 76 80 80 81 84 86 87 90 93 95 96 96 96 2.5 Vẽ mạch in mạch điều khiển tốc độ động DC 2.5.1 Vẽ mạch điện nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động DC dùng cho vẽ mạch in 2.5.2 Kiểm tra mạch điện với đặc tính DRC 2.5.3 Chạy chương trình vẽ mạch in tự động 2.5.4 Tạo lỗ bắt vít mạch in 2.5.5 Đặt tên cho mạch in 2.5.6 Lưu trữ tập tin 2.5.7 Đối chiếu chéo mạch in mạch nguyên lý 2.6 Thực hành vẽ mạch in tập ứng dụng 2.7 Kiểm tra Bài 4: Gia công mạch in Mục tiêu bài: Nội dung bài: 2.1 In sơ đồ mạch lên phíp tráng đồng 2.1.1 Vệ sinh phíp tráng đồng trước in 2.1.2 Chọn kích cỡ 2.1.3 Phương pháp in lụa 2.1.4 Phương pháp in quang 2 Qui trình tẩy mạch in 2.2.1 Hịa dung dịch tẩy 2.2.2 Tẩy mạch in 2.3 Làm vệ sinh chống xi hóa 2.3.1 Chuẩn bị dụng cụ làm vệ sinh 2.3.2 Kiểm tra hoàn thiện sản phẩm 2.3.3 Sửa lại mạch in 2.3.4 Làm vệ sinh sấy khơ 2.3.5 Phủ dung dịch nhựa thơng chống ơxi hóa cho mạch in 2.4 Bài tập ứng dụng 2.5Kiểm tra Tài liệu tham khảo: 96 96 98 98 100 101 105 105 109 111 112 112 112 113 114 115 117 118 119 120 121 125 126 128 131 135 137 138 140 141 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ Mã mô đun: MĐ16 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị Mơn học: - Vị trí: Mơ đun bổ trí sau học xong mơn học Kỹ thuật vi điều khiển học song song với môn học Điện Tử công suất học trước môn học , mơ đun chun mơn khác - Tính chất: Là môn học Kỹ thuật sơ , thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc -Ý nghĩa, vai trò: Mơ đun thiết kế mạch điện tử đóng vai trị quan trọng trình học tập nghiên cứu lĩnh vực điện tử Nó cung cấp cho học viên kiến thức kỹ cần thiết để thiết kế sản xuất mạch in điện tử, lắp ráp hàn linh kiện Điều giúp học viên áp dụng kiến thức để xây dựng sản phẩm điện tử phát triển kỹ chuyên môn ngành công nghiệp điện tử Ngồi ra, mơ đun giúp học viên hiểu rõ quy trình sản xuất mạch in linh kiện điện tử, từ đảm bảo chất lượng hiệu suất sản phẩm cuối - Đối tượng: Áp dụng cho học sinh trình độ trung cấp nghề Điện tử dân dụng Mục tiêu modul: + Về kiến thức: A1 Trình bày phương pháp thiết kế mạch A2 Lựa chọn linh kiện thư viện để vẽ mạch điện A3 Mơ tả quy trình thiết kế mạch in đảm bảo yêu cầu kỹ thuật + Về kỹ năng: B1 Vẽ sơ đồ nguyên lý, chế tạo mạch in theo sơ đồ nguyên lý B2 Hàn tháo mối hàn mạch điện, điện tử an toàn + Năng lực tự chủ trách nhiệm: C1 Chủ động, nghiêm túc học tập và cơng việc C2 Giữ gìn vệ sinh cơng nghiệp, đảm bảo an toàn cho người thiết bị Chương trình khung nghề điện tử dân dụng Mã MH/ MĐ/ Thời gian đào tạo (giờ) Tên môn học, mô đun Trong Tổng Lý số thuyết Thực hành/thực tập/Thí nghiệm/bài tập Kiểm tra 12 255 94 148 13 1 30 15 30 15 13 24 2 2 45 45 21 15 21 29 90 30 56 77 1645 524 1053 68 MH 07 Kỹ thuật an toàn điện 30 15 13 MH 08 Điện kỹ thuật 70 43 24 Tín hiệu phương thức truyền dẫn 45 38 MĐ 10 Đo lường Điện- Điện tử 60 27 30 MĐ 11 Linh kiện điện tử 75 25 47 MĐ 12 Kỹ thuật mạch điện tử I 120 42 73 MĐ 13 Kỹ thuật mạch điện tử II MĐ 14 Kỹ thuật số MĐ 15 Kỹ thuật vi điều khiển 4 90 90 90 30 30 30 56 57 57 3 I MH 01 MH 02 MH 03 MH 04 MH 05 Các mơn học chung/đại cương Chính trị Pháp luật Giáo dục thể chất Giáo dục quốc phòng An ninh Tin học Số tín MH 06 Ngoại ngữ (Anh văn) II MH 09 Các môn học, mô đun chuyên môn ngành, nghề MĐ 16 Thiết kế mạch điện tử 75 22 50 MH 17 Điện tử công suất MĐ18 Điện tử nâng cao Hệ thống âm thanh- máy MĐ 19 thu hình Sửa chữa nguồn máy MĐ 20 tính Sửa chữa thiết bị điện MĐ 21 gia dụng 60 90 28 27 30 59 120 40 77 90 30 56 120 40 77 MĐ 22 PLC- Cơ Bản 120 47 67 MĐ 23 Thực tập sản xuất Tổng cộng 11 89 300 1900 10 618 275 1201 15 81 Chương trình chi tiết mô đun Số TT Thời gian Thực Tổng Lý hành/Thí số thuyết nghiệm/thảo luận /Bài tập Tên mô đun Phần mềm vẽ mạch điện tử Orcad phần mềm khác Thiết kế mạch nguyên lý Capture Thiết kế mạch in Layout Gia công mạch in Cộng 15 25 30 75 22 16 20 50 Kiể m tra* 1 + Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành Điều kiện thực mơn học: 3.1 Phịng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 3.2 Trang thiết bị dạy học: Orcad, máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ 3.3 Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình thực hành, dụng cụ nghề điện, điện tử,… 3.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế mạch in vẽ,board mạch 10 Hình 2.22 Rửa mạch in Khi lớp đồng bị ăn hết, ta lấy rửa nước khô sấy khô, dùng giấy nhám nhuyễn chà lớp mực in board cho xem hình 2.23 Hình 2.23 Mạch sau rửa Fe2Cl3 Bước 5: Khoan mạch in Dùng khoan tay để khoan (có thể dùng khoan máy) với các linh kiện thường trở, tụ, IC thì ta dùng mũi 0.8mm còn đối với IC 78xx, triac thù ta dùng mũi 1.2mm hình 2.24 154 Hình 2.24 Mạch in đã khoan lỗ Bước 6: Hàn linh kiện và test mạch Sau làm xong tất cả các bước thì ta tiến hành hàn linh kiện và test mạch 2.3 Hoàn thiện mạch in Sau vẽ hoàn chỉnh sơ đồ mạch in giấy, bước sang giai đoạn thực mạch in Trình tự thực tiến hành theo bước sau: Bước 1: Dùng giấy nhám nhuyễn đánh lớp oxit hóa bám mạch in (phía có tráng lớp đồng), trước vẽ đường mạch Bước 2: Tạo đường mạch in mặt đồng có phương pháp sau: - In mạch in vẽ giấy để in lụa ép nhiệt để tạo mạch in đồng - Dùng viết lông có dung mơi acetone để vẽ nối đường mạch mặt đồng (dựa theo điểm pointou vừa định vị sơ đồ mạch vẽ trước giấy) Trong vẽ ta ý, có hai phương pháp để vẽ điểm pad hàn mạch in Điểm pad hàn vẽ theo hình trịn hình vng Thơng thường điểm pad trịn dễ thực lại tính mỹ thuật điểm pad vng.Muốn thực điểm pad vng, ta dùng viết tơ rộng (quanh vị trí cần tạo điểm pad vng), sau dùng đầu mũi dao nhọn thước kẻ tỉa bớt mực để trì vùng mực bám hình vng cho điểm pad cần thực Cơng việc địi hỏi nhiều thời gian tỉ mỉ thực 155 - Sau tạo đường mạch mặt đồng mạch in, ta quan sát xem có vị trí bị vẽ khơng liền nét, độ đậm đường phải nhau, đồng thời không bỏ sót đường mạch Trong trường hợp cần thiết, sinh viên phải chờ cho mực khô hẳn đồ lại lần Bước 3: Sau vẽ hồn chỉnh, sinh viên chờ khơ mang mạch in nhúng vào thuốc tẩy Hóa chất tẩy ăn mịn lớp đồng vị trí khơng bám mực để nguyên lớp đồng vị trí bao phủ đường vẽ mực Khi nhúng mạch in thuốc tẩy, muốn phản ứng hóa học xảy nhanh, cần thực thao tác sau để tăng tốc độ phản ứng: - Lắc mạch chậu thuốc - Nên đặt chậu thuốc tẩy nơi có ánh sáng mặt trời để tăng cường tốc độ phản ứng nhờ hiệu ứng quang o - Nếu thuốc tẩy nung nóng khoảng 50 C thời gian tẩy nhanh thuốc tẩy có nhiệt độ thấp (bằng nhiệt độ môi trường) Bước 4: Sau tẩy xong phần đồng không cần thiết, nên ngâm mạch vào nước lã dùng giấy nhám nhuyễn chà đường mực vẽ Công việc chấm dứt đường mạch đánh bóng sáng Trước dùng nhựa thông lỏng phủ bảo vệ lớp đồng, ta dùng khoan (đường kính lưỡi khoan khoảng 0,8 -1mm) để khoan lỗ ghim linh kiện Trong vài trường hợp, ta dùng máy dập bấm lỗ thay khoan Tuy nhiên, lỗ dập khơng trịn dập dễ làm mẻ lớp bakelite tốc độ thi công nhanh hơn, dễ thao tác phương pháp khoan Bước 5: Sau khoan (hay dập) lỗ xong, cần đánh sơ lại lần mạch in (phía có đường đồng) giấy nhám nhuyễn, làm lớp oxit hóa lần cuối nhúng mạch vào dung dịch nhựa thông pha với xăng dầu lửa Khi nhúng xong mạch, để phơi khô lớp sơn phủ hàn linh kiện lên mạch Chọn mũi khoan phù hợp với lỗ chân cắm không chọn to làm hết phần bao lỗ khoan cẩn thận tránh rách mạch Khi cúng ta khoan hết lỗ khoan rửa lại toàn mạch cho Đầu tiên dùng axeton để rửa lớp mực bám lên phíp đồng Khi để lại đường mạch đẹp sáng 156 Khi loại bỏ hết lớp mực phải bảo vệ lớp đồng để tránh bị oxy hóa Bằng cách quét lớp mỏng nhụa thông pha sẵn Khoan lỗ chân linh kiện Pha dung dịch bảo vệ: nhựa thơng hịa tan xăng Dùng chổi qt dung dịch nhựa thông lên mặt đồng Đem phơi bế mặt khơ hồn tồn 157 CÂU HỎI ƠN TẬP, BÀI TẬP Câu 1: Nêu các bước thiết kế mạch in? Gợi ý: có bước Bước 1: Vẽ sơ đồ bố trí linh kiện Bước 2: Tạo sơ đồ mạch in board mạch in Câu 2: Nêu các bước chế tạo mach in? Gợi ý: Quá trình chế tạo mạch in trải qua các bước sau:  Vẽ bằng tay: thực hiện qua bước  Làm mạch in bằng phương pháp ủi: Phương pháp này là dùng mạch đã được in sẵn giấy, sau đó đặt lên phím đồng và dùng bàn ủi để ủi, lúc này tác dụng nhiệt làm nóng chảy mực in giấy và dính vào phím đồng, bao gồm bước  Hồn thiện mạch in: bao gờm bước Bài tập: Thiết kế và hàn linh kiện các mạch điện tử sau: 158 Hình 2.25 Sơ đờ ngun lý Hình 2.26 Mạch Layout 159 Hinh 2.27 Mạch in Bài 2: Làm mạch trái tim Gợi ý: 160 Hình 2.28 đèn led hình trái tim Hình 2.29 Sơ đờ nguyên lý 161 Hình 2.30 Hình 1.31 Mạch in 162 Hình 1.32 Mạch sau rửa xong FeCl3 163 Hình 2.33 mạch sau tẩy xong Hình 2.34 Mạch sau hàn xong linh kiện lớp Hình 2.35 Mạch hàn xong lớp 164 Hình 2.36 Vị trí link kiện bên chip Hình 2.37 Mạch hồn chỉnh sau gắn chíp 165 Hình 2.38 nối chân led Bẻ chân dương(anode) lại với chân cathode bẻ riêng Hình 2.39 Hình 2.39 nối chân led Sau nối trở vào chân âm loại 220Ω 330 Ω hình 2.40 166 Hình 2.40 nối trở vào led 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay linh kiện điện tử cho người thiết kế mạch (R H.WARRING - người dịch KS Đoàn Thanh Huệ - nhà xuất Thống kê) [2] Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng (TS Nguyễn Viết Nguyên - Nhà xuất Giáo dục) [3] Kỹ thuật mạch điện tử (Phạm Xuân Khánh, Bồ Quốc Bảo, Nguyễn Viết Tuyến, Nguyễn Thị Phước Vân - Nhà xuất Giáo dục) [4] Kĩ thuật điện tử - Đỗ xuân Thụ NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 (Đỗ xuân Thụ NXB Giáo dục) [5] Sổ tay tra cứu tranzito Nhật Bản (Nguyễn Kim Giao, Lê Xuân Thế) 168