Введение
Темой данного курсового проекта является разработка «Проектирование конструкции блока управления стабилизатора переменного напряжения».
Общеизвестно, что к преждевременному выводу из строя электрооборудования часто приводят периодические скачки напряжения, происходящие по различным причинам, например, в связи с авариями на подстанциях и линиях электропередач, использованием устаревших трансформаторов и проводов. Современная бытовая электроника допускает отклонения параметров электропитания не более чем на 10% от номинала, но даже в крупных городах электросети не всегда гарантируют выполнение этих требований. Из-за этого бытовые электроприборы начинают работать нестабильно, ухудшаются их потребительские характеристики, возможны даже серьезные поломки.
Хотя импульсные блоки питания, используемые в современной аппаратуре, могут работать в широком диапазоне входных напряжений, резкие скачки напряжения в питающей электросети могут вывести их из строя, а длительная работа при завышенном напряжении питания приводит к перегреву и преждевременному износу их компонентов. Продлить срок их службы позволяет применение стабилизаторов напряжения.
Стабилизаторы напряжения могут применяться для защиты различных устройств и оборудования - от телевизора или холодильника до загородного дома, коттеджа, медицинского центра или промышленного оборудования. Выбор конкретной модели стабилизатора зависит от многих критериев - потребляемой мощности и рабочего диапазона напряжения электропитания защищаемого оборудования, наличия в его составе электродвигателей с большими пусковыми токами, климатических условий, и т.п.
Стабилизаторы напряжения предназначены для решения следующих основных задач:
- обеспечения качественного электропитания оборудования в условиях нестабильного или некондиционного (завышенного или заниженного) напряжения электросети;
- защиты оборудования и приборов от выхода из строя при резких перепадах напряжения, чрезмерно низком либо высоком напряжении;
- защиты нагрузки от индустриальных и атмосферных импульсных помех, распространяемых по сети питания;
- защиты электросети от перегрузки и короткого замыкания.
На сегодняшний день стабилизаторы переменного напряжения являются полностью автоматическими устройствами и используются как стабилизаторы в частных загородных домах, квартирах, коттеджах и офисах.
В предлагаемом устройстве для питания всех микросхем применены интегральные стабилизаторы, улучшающие работу всего устройства.
1 Анализ технического задания
1.1 Основные характеристики
В данном курсовом проекте разработана схема блока управления стабилизатора переменного напряжения:
Технические характеристики:
Электрические:
- входное напряжение – 20 В;
- потребляемый ток - 1,5 А.
Эксплуатационные:
- условия эксплуатации: нормальные, установка стационарная.
Конструктивные:
Конструкция с применением печатного монтажа, элементная база 2 – 3 поколения.
Устройство применяется: для декоративного освещения фасадов зданий, офисов, террас и других подобных объектов.
1.2 Описание электрической принципиальной схемы и принцип ее
работы.
Узел измерения напряжения сети выполнен на ОУ DA1, напряжение изменяется от 1,9 до 3,8 В ступенями, приблизительно по 0,27 В с частотой около 30 кГц. Для повышения стабильности этого напряжения микросхема DD1 получает питание от отдельного стабилизатора DA2. Выходное напряжение этого стабилизатора 3,8 В задают резисторы R8 и R10. Такое напряжение выбрано, чтобы обеспечить корректную работу компаратора на ОУ DA1.2, питающегося от напряжения 5 В. Несмотря на то что выходное напряжение ОУ LM358N приблизительно на 1,5 В меньше напряжения питания, оно вполне достаточно для нормальной работы регистров счетчика DD2.
В каждом цикле измерения напряжения сети компаратор на ОУ DA1.2 сравнивает напряжение с движка подстроечного резистора R7 с нарастающим ступенчатым напряжением. Компаратор DA1.2 срабатывает, сигнал низкого уровня на его выходе открывает диод VD4 и останавливает счетчик DD1. Код напряжения сети записывается в регистры микросхемы DD2 импульсом, который формирует дифференцирующая цепь R16C7. Момент записи кода синхронизирован с переходом напряжения сети через ноль, что предотвращает выход из строя мощных симисторов и обеспечивает низкий уровень коммутационных помех. Через 1…2 мс отрицательный перепад напряжения на выходе ОУ DA1.1 через дифференцирующую цепь R11C5 кратковременно откроет транзистор VT1 и обнулит счетчик DD1, чтобы подготовить его к следующему циклу измерения напряжения.
Если напряжение сети находится в допустимых пределах 135…270 В, его двоичный код – от 001 до 111. На одном из выходов дешифратора DD3 появляется сигнал низкого уровня, вызывающий протекание тока через один из индикоторных светодиодов (HL2-HL8), соединенный с ним соответствующий излучающий диод оптрона и резистор R18. В результате нагрузка подключается к соответствующему отводу мощного автотрансформатора. Поскольку выходы микросхемы КР1533ИД3 дишифратора допускают втекающий ток до 20 мА, светодиоды и излучающие диоды оптронов подключены непоследственно к ним.
Свечение светодиода HL1 «Авария» информирует о выходе амплитуды напряжения сети за допустимые пределы. В случае уменьшения напряжения сети ниже 135 В, в регистры счетчика DD2 записывается код 000, что вызывает появление низкого уровня на выходе переноса P и протекание тока по цепи эмиттерный переход транзистора VT2, резистор R17, светодиод HL1 «Авария». В результате открыаются транзистор VT2, конденсатор C10 быстро разряжается через открытый транзистор, работа дешифратора DD3 блокируется. Это означает, что ни через один из излучающих дидов оптронов ток не протекает, в результате чего на один мощный симистор не может быть открыт, нагрузка отключается.
После возвращения напряжения сети в пределы 135…270 В включение нагрузки возможно только по истечении примерно 5 с (время зарядки конденсатора C10 через резистор R19).
Подбором резистора R8 устанавливают напряжение 3,8 В на выходе интегрального стабилизатора DA2. Подстройкой резистора R7 добиваются того, чтобы напряжение на его движке возрастало от 1,9 до 3,8 В при увеличении напряжения сети от 135 до 270 В.
2 Выбор и обоснование конструкции изделия
2.1 Конструктивно-технологические требования
2.1.1 Краткие теоретические сведения
При разработке конструкции изделия полностью удовлетворяющей поставленным требованиям, согласно технического задания учитываются:
1- функциональное назначение изделия;
2- объект установки изделия РЭА;
3- условия эксплуатации и эксплуатационные требования;
4- производственно-технологические требования;
5- экономические показатели;
6- надежность;
7- преимущества и недостатки конструкции РЭА.
С конструкторской точки зрения наиболее удобной является классификация по функциональному назначению, применению и объекту установки.
Различают три класса РЭА по объекту установки: бортовая; морская;
наземная.
В каждом классе различают специализированные группы в зависимости от объекта установки. Конструкция РЭА различного назначения, устанавливаемой на различные объекты, имеет особенности, вытекающие из специфики назначений и условий эксплуатации.
При конструировании радиоаппаратуры пользуются классификацией, приведенной в таблице 2.1.
Таблица 2.1
| Класс РЭА |
Группа аппаратуры |
| Бортовая |
Самолетная (вертолетная); ракетная; космическая |
| Морская |
Судовая (корабельная); буйковая |
| Наземная |
Возимая;носимая;переносная; бытовая;стационарная |
Краткая характеристика требований к конструированию трёх классов РЭА.
Бортовая РЭА - это аппаратура, устанавливаемая на летательных объектах.
Основными задачами при конструировании такой РЭА следует считать:
- уменьшение массы, габаритов;
- необходимость работы РЭА в условиях пониженного атмосферного давления;
-необходимость защиты РЭА от сложных механических воздействий (вибрационных и ударных нагрузок).
Морская РЭА - характеризуется следующими условиями:
- морская среда требует разработки аппаратуры в тропическом исполнении;
- коррозийная стойкость;
- плесенестойкость;
- влагозащищенность;
- брызгозащищенность;
- ударные перегрузки;
- линейные ускорения.
Ударные перегрузки характерны для любой морской РЭА и возникают при ударах волн, а линейные перегрузки возникают при качке.
Наземная РЭА наиболее обширна и разнообразна. Общей задачей конструирования наземной РЭА является защита от вибраций и ударов, от пыли в условиях нормального атмосферного давления.
Внешние факторы, влияющие на работоспособность аппаратуры, можно классифицировать на 2 вида:
- климатические воздействия;
- механические воздействия.
Для оценки величины каждого воздействующего фактора его сравнивают с нормальными условиями эксплуатации.
Под нормальными условиями эксплуатации понимают условия работы в закрытых отапливаемых помещениях при отсутствии в воздухе паров, газов, солей, кислот и микроорганизмов при температуре (25 ± 5°)С, относительной влажностью (65 ±15)%, атмосферном давлении (8,36 ... 10,6) 104
Па (630...800 мм.рт.ст.), при отсутствии механических воздействий.
2.1.2 Конструктивно-технологические требования
При конструировании изделий радиоаппаратуры следует руководствоваться следующими требованиями:
- В конструкции максимально использованы стандартизованные и нормализованные элементы, детали, сборочные единицы.
Выполнение этого требования дает экономический эффект, так как не тратятся средства на разработку конструкции изделий, проектирования техпроцесса и изготовления, специальной оснастки и оборудования. А также позволяет сократить сроки подготовки производства изделий РЭА. Эти изделия изготавливаются специализированной промышленностью, где производство изделий РЭА отлажено, механизировано и экономически выгодно.
- Необходимо стремиться к сокращению номенклатуры, элементов, деталей, сборочных единиц в каждом изделии.
- При конструировании изделий РЭА я добивался максимальной простоты изделия.
- Конструкция должна быть технологична.
2.2 Описание конструкции изделия
В основу разработки современной РЭА положен модульный принцип конструирования, основывающийся на функционально-узловом методе проектирования.
В курсовом проекте разрабатывается конструкция первого уровня.
Технологичной следует считать конструкцию, удовлетворяющую с заданной надежностью технологическим и эксплуатационным требованиям при выбранном типе производства, изготавливаемую с применением прогрессивных технологических процессов, обеспечивающую наименьшие затраты на поиск неисправностей и ремонт при обслуживании.
Технологичность конструкции можно оценивать количественно и качественно. Качественная оценка в процессе проектирования предшествует количественной.
При анализе конструкции рассматриваем требования к технологичности сборочных единиц и деталей.
Чтобы обеспечить технологичность сборочной единицы «Блок управления стабилизатора переменного напряжения» была выполнена компоновка из стандартных и унифицированных частей, обеспечив прямое функциональное назначение; была обеспечена простота сборки; максимально использована возможность механизации и автоматизации производства, особенно при монтаже; обеспечен свободный доступ к местам контроля и регулировки.
Технологичность детали оценивается следующими требованиями:
- конструкция детали состоит из стандартных конструктивных элементов;
- собирается из стандартных или унифицированных заготовок;
- размеры и поверхность детали имеют оптимальную прочность
- шероховатость;
- конструкция детали обеспечивает возможность применения типовых и стандартных технологических процессов изготовления;
- деталь проста по форме.
Сборочная единица «Блок управления стабилизатора переменного напряжения» выполнена по электрической принципиальной схеме, имеет функциональную законченность.
Компоновка выполнена из стандартных комплектующих ЭРИ промышленного изготовления, установленных на основании платы печатной.
Проанализировав техническое задание и учитывая условия эксплуатации изделия «Блок управления стабилизатора переменного напряжения», а так же допускаемые значения воздействующих факторов по 4 группам жесткости в соответствии с ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. ОТУ», установил - плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79 группа жесткости 1.
Обеспечить простоту сборки и уменьшить массогабариты конструкции, использовать возможность автоматизации и механизации в производстве при сборке и монтаже, мне поможет выбор печатного монтажа.
При печатном монтаже электрические соединения элементов электрического модуля выполнены с помощью печатных проводников. Печатный монтаж является групповым монтажом, что позволяет получить все соединения (электрические) за один технологический цикл, обеспечивая технологичность конструкции. Поэтому основным элементом конструкции была выбрана деталь: плата печатная.
Применение печатной платы позволило получить значительное повышение плотности межсоединений и возможность миниатюризации конструкции. Печатная плата гарантирует стабильную повторяемость электрических параметров от образца к образцу, отсутствие монтажных ошибок, высокую идентичность электрических и конструктивных параметров, повышает надежность и качество аппаратуры, уменьшает трудоемкость и себестоимость изделия, повышает производительность труда за счет использования механизированного и авторизированного оборудования при ее изготовлении по типовым технологическим процессам. Таким образом, технологичность конструкции обеспечивается.
Используя государственные и отраслевые стандарты ГОСТ 29137-91 «Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования», выполняю компоновку одним из выбранных методом. Выбираю габаритные размеры ЭРИ, установочные и присоединительные, определяю варианты установки на плату. Произвожу электрическое соединение ЭРИ печатными проводниками, условно изображая их в виде линий. Трассировку соединений на ПП выполняем в соответствии с требованиями ГОСТ 2.417-91 «Платы печатные. Правила оформления чертежей». Выбираю габаритные размеры и конфигурацию платы печатной, учитывая требования ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры».
В результате компоновки получена печатная плата простой прямоугольной формы, минимальными для нашей схемы габаритными размерами (82,5×52,5 мм), размеры сторон кратны 2,5.
Выбираем толщину платы с учетом нагрузки по ГОСТ 23751- 86, она равна 2 мм. Выбираем материал для печатной платы по ГОСТ 10316-78 «Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. ТУ».
При повышенной влажности и тепловых воздействиях целесообразно использовать более дорогой, но обладающий лучшими эксплуатационными характеристиками стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35-2.
Эти материалы стандартизированы, имеют промышленный выпуск и гарантию качества они недефицитны, недороги, имеют удовлетворительную обрабатываемость. Их применение повышают технологичность конструкции.
По конструктивным особенностям печатные платы с жестким основанием делятся на типы односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные (МПП). Выполняя компоновку, я сделал вывод, что применение ОПП вполне оправдано.
Односторонние печатные платы имеют низкую стоимость, высокую надежность, компоненты устанавливаются на стороне платы, свободной от монтажа и корпуса ЭРИ не требуют дополнительной изоляции от платы (зазора или детали - прокладки), точность выполнения рисунка высокая, не требуется металлизация отверстий, и мы можем использовать химический метод изготовления ПП.
Определил класс точности печатной платы. По точности выполнения элементов проводящего рисунка печатные платы делятся на 5 классов ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции». Выбрал класс точности 1, являющейся характерным для печатных плат с микросхемами. Плата средней насыщенности. Печатные платы 1 класса точности сравнительно просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, имеют невысокую стоимость. Учитывая условия эксплуатации моей конструкции, печатный узел источника питания лаком не покрываем, что позволяет повысить ремонтопригодность конструкции и технологичность, снизить себестоимость.
В случае использования проектируемого изделия в условиях повышенной влажности, для защиты внешних паяных соединений от коррозии применяем лак ЗП-730 В2.4, бесцветный, ГОСТ20824-81. Это покрытие обладает высокой стойкостью к атмосферным воздействиям. Габаритный размер печатного узла 82,5×52,5×2 мм.
Проведённые исследования приводят к выводу о том, что конструкция «Блока управления стабилизатора переменного напряжения» является технологичной, так как отвечает следующим требованиям:
- проста и целесообразна;
- имеет прямое функциональное назначение;
- удовлетворяет требованиям миниатюризации;
-класс точности 2 (ГОСТ 23751-86), то есть точность изготовления средняя, возможно использование для получения ПП стандартного оборудования;
- в модуле максимально использованы нормализованные и стандартизованные изделия (ЭРИ), кроме детали печатной платы, которая является оригинальной;
- материал платы: фольгированный стеклотекстолит недорогой и недефицитный, выпускаемый промышленно, имеет удовлетворительную обрабатываемость;
- применение печатного монтажа увеличивает надежность конструкции; обеспечивает возможность серийного изготовления; применения механизированных и автоматизированных процессов производства, использования типовых ТП;
- размеры и поверхность печатной платы имеют оптимальную точность и шероховатость:
h 14 — для габаритных размеров платы;
Н 12 —для крепежных отверстий;
Rz
40 — для металлизированных отверстий и торцевых поверхностей;
Rz
80 — для не металлизированных отверстий и торцевых поверхностей
Таким образом, на изготовление «Блока управления стабилизатора переменного напряжения» потребуется минимальное количество времени, труда и средств производства.
3 Расчетная часть
3.1 Расчет надежности
Надёжность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонтов и транспортирования. Исходными данными для расчёта надёжности являются:
- схема электрическая принципиальная Э3;
- перечень элементов;
- климатические и механические условия эксплуатации.
Расчет надежности можно производить на компьютере с использованием программы для расчета надежности: «Автоматизированная система расчета надежности» (АСРН). Она разработана на базе справочника «Надежность электрорадиоизделий» и позволяет рассчитывать суммарную интенсивность отказов модулей 1-го и 2-го уровней без резервирования, укомплектованных отечественными и импортными ЭРИ в режиме эксплуатации и хранения (только для отечественных ЭРИ) в составе подвижных и неподвижных объектов.
Так как надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. То надежность так же можно определить как физическое свойство изделия, которое зависит от количества и от качества входящих в него элементов, а так же от условий эксплуатации. Надежность характеризуется отказом.
Отказ - нарушение работоспособности изделия. Отказы могут быть постепенные и внезапные.
Постепенный отказ - вызывается в постепенном изменении параметров элементов схемы и конструкции.
Внезапный отказ - проявляется в виде скачкообразного изменения параметров радиоэлементов (РЭ).
Все изделия подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.
В работе изделия существуют 3 периода.
Рисунок 3.1 – Периоды работы изделия
На рисунке 3.1 показан график зависимости интенсивности отказов от времени эксплуатации.
1 - период приработки, характеризуется приработочными отказами.
2 - период нормальной эксплуатации, характеризуется внезапными отказами.
3 - период износа - внезапные и износовые отказы.
Понятие надежности включает в себя качественные и количественные характеристики.
Качественные характеристики:
- безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки
- ремонтопригодность - свойство изделия, приспособленность к :
1) предупреждению возможных причин возникновения отказа
2) обнаружению причин возникшего отказа или повреждения
3) устранению последствий возникшего отказа или повреждения путем ремонта или технического обслуживания
- долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (состояние при котором его дальнейшее применение или восстановление невозможно)
- сохраняемость - сохранение работоспособности при хранении и транспортировке.
Количественные характеристики:
-интенсивность отказа ЭРЭ: li
;
- вероятность безотказной работы:
. (3.1)
- средняя наработка на отказ:
Тср
. = 1/λ∑
. (3.2)
- интенсивность отказа изделия:
λ∑
= λ1
+ λ2
+ ... + λn
. (3.3)
- вероятность отказа:
Q(t) = 1 – P(t). (3.4)
Рисунок 3.2 - График безотказной работы и вероятности отказов
Интенсивность отказов зависит так же от коэффициента нагрузки (Кн) и от температуры окружающей среды (tокр), которая влияет на коэффициент α (коэффициент влияния температуры).
Для удобства расчета однотипных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), находящихся в одинаковых температурных условиях и работающих в одинаковых (близких) эксплутационных режимах, можно объединить в одну группу.
Произвожу расчет надежности на компьютере с помощью программы для расчета надежности: «Автоматизированная система расчета надежности» (АСРН) и результат записываю в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 Расчет надежности
| Тип ЭРИ |
Количество |
Схемная позиция |
lб (бсг)
|
lэ
|
lэ
|
| Интегральные микросхемы |
|||||
| LM358N |
1 |
DA1 |
- |
1.55·10-2
|
1.55·10-2
|
| LM317 |
1 |
DA2 |
- |
1.55·10-2
|
1.55·10-2
|
| КР1158ЕН5А |
1 |
DA3 |
0.37·10-7
|
0.94·10-7
|
0.94·10-7
|
| CD4060BE |
1 |
DD1 |
- |
1.67·10-5
|
1.67·10-5
|
| К561ИЕ11 |
1 |
DD2 |
1.9·10-8
|
0.55·10-7
|
0.55·10-7
|
| КР1533ИЕ11 |
1 |
DD3 |
1.9·10-8
|
0.55·10-7
|
0.55·10-7
|
| Продолжение Таблицы 3.1 |
|||||
| Тип ЭРИ |
Количество |
Схемная позиция |
lб (бсг)
|
lэ
|
lэ
|
| Полупроводниковые приборы |
|||||
| КД243А |
1 |
VD3 |
0.75·10-7
|
2.47·10-7
|
2.47·10-7
|
| КД521А |
1 |
VD4 |
0.75·10-7
|
2.47·10-7
|
2.47·10-7
|
| КТ361Г |
1 |
VT1 |
0.6·10-7
|
1.33·10-7
|
1.33·10-7
|
| КТ973А |
1 |
VT2 |
0.6·10-7
|
1.01·10-7
|
1.01·10-7
|
| Оптоэлектронные полупроводниковые приборы |
|||||
| АЛ307КМ |
1 |
HL1 |
0.6·10-7
|
1.19·10-9
|
1.19·10-9
|
| Резисторы |
|||||
| С2-23 |
8 |
R1-R3, R5-R6, R9, R11, R19 |
0.65·10-7
|
1.91·10-7
|
1.53·10-6
|
| С2-23 |
7 |
R4, R12-R17 |
0.65·10-7
|
0.67·10-7
|
0.47·10-6
|
| RM-065 |
1 |
R7 |
2.4·10-9
|
0.36·10-6
|
0.36·10-6
|
| С2-23 |
3 |
R8, R10, R18 |
0.65·10-7
|
0.95·10-7
|
2.86·10-7
|
| Конденсаторы |
|||||
| КМ-6 |
5 |
C1, C4, C6, C8, C10 |
1.9·10-7
|
0.91·10-7
|
0.45·10-6
|
| К10-17а |
1 |
C2 |
3·10-8
|
1.51·10-9
|
1.51·10-9
|
| К10-17а |
2 |
C3, C9 |
3·10-8
|
0.41·10-8
|
0.83·10-8
|
| К10-17а |
xt-align:center;">2 |
C5, C7 |
3·10-8
|
2.08·10-9
|
0.42·10-8
|
| Платы с металлизированными сквозными отверстиями |
|||||
| Печатная плата |
1 |
1 |
1.7·10-11
|
2.88·10-7
|
2.88·10-7
|
| Итого для модуля: |
3.1·10-5
|
||||
По формуле 3.2 определяем среднюю наработку на отказ:
Тср
. = 1/λ∑
= 1/3.1·10-5
= 32258,1 часов или 3,7 года.
Строим график зависимости безотказной работы от времени для предлагаемой схемы средствами программы MS Excel на 10 лет
P0
(t)=1; P1
(t)=0,7; P2
(t)=0,4; P3
(t)=0,3; P4
(t)=0,22; P5
(t)=0,18; P6
(t)=0,15; P7
(t)=0,1.
Рисунок 3.3 График надежности РЭА
По результатам проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что так как наработка на отказ составила 32258,1 часов, что вполне приемлемо. Если учесть, что год содержит 8760 часов, то изделие должно безотказно проработать приблизительно 3,7 лет, если будет работать круглосуточно, что
вполне приемлемо для радиоаппаратуры.
3.2 Компоновка печатной платы, проектируемого изделия РЭА
3.2.1 Краткие теоретические сведения
Процесс разработки печатной платы складывается из следующих операций:
а) компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате, согласно электрической принципиальной схеме изделия. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;
б) разводка печатных проводников. Цель этой операции – провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину, и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений;
в) оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.
Компоновка радиотехнического изделия — это размещение на плоскости или в пространстве различных элементов изделия. Такими элементами могут быть радиодетали (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т. п.), функциональные узлы различного конструктивного исполнения (модули, интегральные, микросхемы, микросборки и т. п.), блоки и приборы. В результате компоновки должны быть определены геометрические размеры, форма, ориентировочная масса изделия и взаимное расположение всех элементов в конструкции.
При разработке компоновки радиотехнического изделия учитывают сложную совокупность факторов, связанных с особенностями функционирования в эксплуатации изделия, электрическими взаимосвязями и тепловыми режимами внутри РЭА, геометрическими размерами и формой отдельных элементов конструкции.
Поэтому необходимо выполнять следующие требования:
1) между отдельными элементами, узлами, блоками, приборами должны отсутствовать паразитные электрические взаимосвязи, которые могут существенно изменить характер полезных взаимосвязей и нарушить нормальное функционирование изделия;
2) тепловые поля, возникающие в РЭА вследствие перегрева отдельных элементов, не должны ухудшать технические характеристики аппаратуры;
3) необходимо обеспечить легкий доступ к деталям, узлам, блокам в конструкции для контроля, ремонта и обслуживания. Расположение элементов конструкции должно также обеспечивать технологичность монтажа и сборки с учетом использования автоматизации этих процессов;
4) габариты и масса изделия должны быть минимально возможными.
Паразитные обратные связи определяются взаимным расположением отдельных частей конструкции и соединяющих их проводников и могут возникать не только между отдельными элементами, но и между узлами, блоками, приборами, что нарушает устойчивость работы любой радиотехнической схемы.
Все виды паразитных связей принято делить на электромагнитные, электростатические и индуктивные.
Электромагнитные связи возникают при протекании тока по катушкам индуктивности и проводникам; электростатические создаются за счет разности потенциалов между различными точками корпуса или за счет паразитных емкостей; индуктивные возникают в тех случаях, когда есть общая нагрузка для полезного и паразитного сигналов, т. е. когда нагрузка является общей для нескольких электрических цепей. Чаще всего такими общими участками являются проводники питания, внутренние сопротивления источники питания, общие участки корпуса.
Для устранения паразитных обратных связей, прежде всего, необходимо рациональное размещение элементов конструкции. Однако этого иногда недостаточно и приходится применять различные конструктивные меры, наиболее распространенными из которых могут быть следующие: связанные по схеме каскады следует располагать в конструкции в непосредственной близости друг от друга для уменьшения длины соединительных проводников каждый элемент схемы или узел, подверженный опасности возникновения паразитных взаимосвязей, должен иметь только одно соединение с шиной заземления; если узлы конструкции находятся в отдельных корпусах и соединяются между собой проводниками, то провода должны быть экранированные и объединяться в один жгут, кроме цепей питания; при компоновке усилительных устройств желательно располагать каскады по одной линии, максимально удаляя входные каскады от выходных. Особенно важно выполнять это требование на частотах выше 10 МГц; количество соединительных проводников и их длина должны быть минимальными. Особое внимание на длину соединительных проводников следует обращать при компоновке высокочастотных устройств.
Для защиты объемных проводников от паразитных взаимосвязей используют экранированные провода.
Радиоэлектронная аппаратура при работе постоянно излучает тепловую энергию. Для большинства категорий РЭА только несколько процентов подводимой мощности расходуется на полезное преобразование сигнала, а остальная энергия превращается в тепловую. При компоновке я учитывал возможность взаимного влияния тепловых полей отдельных элементов аппаратуры, выяснил возможность обеспечения нормального теплового режима устройства.
3.3 Расчет платы печатной.
Исходные данные:
- максимальные значения диаметров выводов навесных элементов, устанавливаемых на печатную плату, мм:
dэ1
= 0,8 мм;
dэ2
= 0,6 мм;
dэ3
= 0,5 мм;
dэ4
= 0,38мм.
- класс точности печатной платы – 1;
- тип печатной платы – двухсторонняя с металлизированными монтажными отверстиями;
- чертеж «Плата печатная» с размерами сторон 82,5×52,5 мм;
Таблица 3.1 Наименьшее номинальное значения основных размеров элементов конструкции для узкого места.
| Параметры элементов печатного монтажа |
Номинальное значение основных размеров для классов точности |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| t(мм) ширина проводника |
0,75 |
0,45 |
0,25 |
| S (мм) расстояние между проводниками, контактными площадками, между проводником и контактной площадкой |
0,75 |
0,45 |
0,25 |
| b (мм) гарантийный поясок |
0,30 |
0,20 |
0,10 |
3.3.1 Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:
d=dэ
+r+│Ddно
│, (3.3.1)
где dэ
- максимальное значение диаметра вывода ЭРИ (для прямоугольного вывода за диаметр берется диагональ его сечения) в мм;
Ddно
- нижнее предельное отклонение диаметра отверстия, Ddно
=0,1 мм;
r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента, r=(0,1…0,4) мм;
d1
=0,8+0,1+0,4=1,3 мм;
d2
=0,6+0,1+0,4=1,1 мм;
d3
=0,5+0,1+0,4=1 мм.
d4
=0,38+0,1+0,4=0,88 мм.
Выбираем диаметры из ряда предпочтительных размеров монтажных отверстий:
d1
=1,3 мм;
d2
= d3
= d4
= 1,1 мм.
Количество однотипных диаметров отверстий подсчитываем по чертежу «Печатная плата».
Таблица 3.2 Значения позиционных допусков расположения центров контактных площадок δD
| Вид изделия |
Размер по (большей стороне) ПП в мм |
Значение δD
|
||
| 1 |
2 |
3 |
||
| опп,дпп |
До 180вкл |
0,35 |
0,25 |
0,15 |
| Св. 180 до 360 |
0,40 |
0,30 |
0,20 |
|
Таблица 3.3 Значение позиционных допусков расположения осей отверстий δd
| Размер (по большей стороне) ПП в мм |
Значение позиционного допуска расположения осей δd
|
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| До 180 вкл. |
0,20 |
0,15 |
0,08 |
| Св. 180 до 360 |
0,25 |
0,20 |
0,10 |
Таблица 3.4 Предельные отклонения ширины печатного проводника контактной площадки Δt для узкого места
| Наличие металлического покрытия |
Предельное отклонение элементов конструкции Δt мм для кл. точности |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Без покрытия |
±0,15 |
+ 0,10 |
+ 0,05 |
| С покрытием |
+ 0,25 -0,20 |
+ 0,15 -0,10 |
±0,10 |
Таблица 3.5 Параметры отверстий
| Условное обозначение |
Диаметр отверстия, мм |
Наличие металлизации |
Диаметр контактной площадки, мм |
Количество отверстий |
|
|
1,1 |
есть |
2 |
116 |
|
|
1,3 |
есть |
2,5 |
2 |
|
|
3,2 H12 |
есть |
нет |
4 |
3.3.2 Определяем номинальное значение ширины проводника
t = tmin
+| Δtно
|, (3.3.2)
где tmin
– минимально допустимая ширина проводника;
Δtно
– нижнее предельное отклонение ширины проводника;
t = 0,45 + 0,1 = 0,55 мм.
Определение расстояния между элементами проводящего рисунка
Наименьшее номинальное расстояние между соседними элементам проводящего рисунка S в мм определяем по формуле:
S = Smin
+ Dtво
, (3.3.3)
где Smin
- минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;
Dtво
- верхнее предельное отклонение ширины проводника.
S = 0,45 + 0,1 = 0,55 мм.
Определяем номинальный диаметр контактной площадки
D = (d+Ddво
)+2b+Dtво
+2Ddтр
+Öδ2
d
+δ2
p
+Dt2
но
, (3.3.4)
где Ddво
- верхнее предельное отклонение диаметра отверстия
b - гарантийный поясок, b=0,1 мм;
Ddтр
- величина подтравливания диэлектрика(0 для ОПП и ДПП);
Dtво
- верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции (диаметра КП), см. таблицу 3.4.
Dtно
- нижнее предельное отклонение размеров элементов конструкции (диаметра КП), см. таблицу 3.4.
D1
= (1,3 + 0,15) + 2·0,1 + 0,25 + 2·0 + = 2,2 мм;
D2
= (1,1 + 0,15) + 2·0,1 + 0,25 + 2·0 + = 2,02 мм.
D1
= 2,2 мм ≈ 2,5 мм;
D2
= 2,02 мм ≈ 2 мм;
Если узких мест нет, то номинальное расстояние устанавливают в соответствии с Таблицей 3.1 по более низкому классу.
Результаты значений параметров проводящего рисунка сводим в Таблицу 3.6:
Таблица 3.6
| Параметры элементов |
Размеры, мм |
| Ширина проводников |
0,55 |
| Расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой |
0,55 |
4 Качественный и количественный анализ технологичности конструкции РЭА
Технологичность конструкции изделия характеризуют качественно и количественно.
Качественная характеристика производится по четырём показателям: взаимозаменяемость, регулируемость, инструментальная доступность, контролепригодность.
Количественная оценка технологичности конструкции изделия производится в соответствии с методикой стандарта ОСТ 4ГО. 091.219.
Определяем класс аппаратуры - радиотехническая.
В зависимости от класса аппаратуры рассчитываем 7 соответствующих частных показателей технологичности, приведённых в таблице 4.1
Рассчитаем комплексный показатель технологичности конструкции изделия
, (4.1)
где Кi
– значение частного показателя технологичности,
- значение коэффициента весовой значимости соответствующего частного показателя.
Изделие считается технологичным, если его уровень технологичности:
Ку
³ 1.
Определим уровень технологичности Ку
, (4.2)
где К – комплексный показатель технологичности,
Кб
– базовый показатель технологичности.
Определяем исходные данные для расчетов частных показателей и записываем их в таблицу 4.1.
Таблица 4.1
| Наименование |
Обозначение |
Величина |
| 1. Количество ЭРЭ, подготовка которых к монтажу может быть выполнена механизированно |
Нмп эрэ
|
35 |
| 2. Общее количество ЭРЭ в изделии |
Нэрэ
|
42 |
| 3. Общее количество монтажных соединений |
Нм
|
87 |
| 4. Количество типоразмеров узлов, требующих регулировки в составе изделия |
Етсл
|
1 |
| 5. Общее количество типоразмеров узлов в изделии |
Ет
|
1 |
| 6. Количество операций контроля и настройки, которые можно осуществлять механизированным или автоматизированным способом, или не требующих средств механизации. |
Нмкн
|
2 |
| 7. Общее количество операций контроля и настройки |
Нкн
|
11 |
| 8. Количество деталей, заготовки которых получены прогрессивными методами формообразования |
Дпф
|
8 |
| 9. Общее количество деталей в изделии без учета нормализованного крепежа |
Д |
0 |
| 10. Количество типоразмеров ЭРЭ |
Нт эрэ
|
18 |
| 11. Количество деталей, имеющих размеры по 10 квалитету и выше |
Дтч
|
1 |
Таблица 4.2 Состав показателей технологичности конструкции изделия для радиотехнических блоков
| №п/п |
Наименование |
Обозначение Кi
|
Коэффициент весовой значимости |
| 1 |
Коэффициент механизации и автоматизации подготовки ЭРЭ к монтажу |
Кмп ЭРЭ
|
1 |
| 2 |
Коэффициент автоматизации и механизации монтажа |
Кам
|
1 |
| 3 |
Коэффициент сложности сборки |
Кс сб
|
0,75 |
| Продолжение таблицы 4.2 |
|||
| №п/п |
Наименование |
Обозначение Кi
|
Коэффициент весовой значимости |
| 4 |
Коэффициент механизации и автоматизации контроля и настройки |
Км кн
|
0,5 |
| 5 |
Коэффициент повторяемости ЭРЭ |
Кпов ЭРЭ
|
0,187 |
| 6 |
Коэффициент прогрессивности формообразования деталей |
Кф
|
0,31 |
| 7 |
Коэффициент точности обработки |
Ктч
|
0,11 |
Таблица 4.3 Базовые значения комплексных показателей технологичности конструкции изделия
| Наименование класса блоков |
Стадии разработок рабочей документации |
||
| Опытный образец |
Установочная серия (партия) |
Установившееся серийное производство |
|
| 1. Электронные |
0,3-0,6 |
0,4-0,7 |
0,5-0,75 |
| 2.Радиотехнические |
0,2-0,5 |
0,25-0,55 |
0,3-0,6 |
Значение частных показателей технологичности рассчитываем по нижеприведённым формулам
Коэффициент использования микросхем и микросборок
Кисп мс
=, (4.3)
где Нмс
– общее количество микросхем и микросборок в изделии,
Нэрэ
– общее количество ЭРЭ в изделии.
Кисп мс
== 0,125.
Расчет частных показателей технологичности.
Коэффициент механизации и автоматизации монтажа изделия
Кам
=, (4.4)
где Нам
– количество монтажных соединений, которые могут выполняться механизированным или автоматизированным способом,
Нм
– общее количество монтажных соединений.
Кам
== 0,87.
Коэффициент механизации и автоматизации подготовки ЭРЭ к монтажу
Кмп
= , (4.5)
где Нмп эрэ
– количество ЭРЭ, подготовка которых к монтажу может быть выполнена механизированным или автоматизированным способом, или не требует специальной подготовки,
Нэрэ
– общее количество ЭРЭ в изделии.
Кмп
= = 0,83.
Коэффициент механизации и автоматизации контроля и настройки,
, (4.6)
где Нмкн
– количество операций контроля и настройки, которые можно осуществлять механизированным и автоматизированным способом, или не требующих средств механизации,
Нкн
– общее количество операций контроля и настройки.
= 0,18.
Коэффициент повторяемости ЭРЭ.
Кпов эрэ
= , (4.7)
где Нтэрэ
– количество типоразмеров ЭРЭ.
Кпов эрэ
= = 0,42.
Коэффициент применяемости ЭРЭ.
, (4.8)
где Нторэрэ
– количество типоразмеров оригинальных в изделии.
Кприм эрэ
= = 1.
Коэффициент сложности сборки.
Кс.сб
= , (4.9)
где Етсл
– количество типоразмеров узлов, требующих регулировки в составе изделия с применением специальных устройств, или совместной обработки с последующей разборкой и повторной сборкой;
Ет
- общее количество типоразмеров узлов в изделии.
Кс.сб
= = 0.
Рассчитываем комплексные показатели технологичности конструкции изделия согласно формуле (4.1):
Определяем базовые показатели технологичности для установочной партии
0,5.
Рассчитываем уровень технологичности конструкции согласно формуле (4.2):
Проведенные расчеты позволяют сделать заключение о том, что полученный уровень технологичности Ку
>1 характеризует высокую технологичность изделия.
Заключение
Темой данного курсового проекта являлась разработка «Проектирование конструкции блока управления стабилизатора переменного напряжения».
В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет надежности и расчет печатной платы, в результате которых было установлено, что разрабатываемый прибор может безотказно непрерывно работать примерно 3,7 лет.
В расчете платы печатной были определены её размеры(82,5×52,5 мм), размеры монтажных отверстий и рассчитаны размеры контактных площадок, количество всех типоразмеров сведено к минимуму, что говорит о технологичности ПП.
Выполнен расчет уровня технологичности конструкции, полученный уровень Ку
> 1 характеризует высокую технологичность изделия.
Также было выполнено обоснование конструкции с учетом технологичности. Группа жесткости платы - 1, в соответствии с ГОСТ 23752-79 была выбрана группа жесткости 1 для печатной платы, по ее условиям эксплуатации.
Исходя, из этого можно сделать вывод, что конструкция является технологичной и на его изготовление потребуется минимальное количество времени, труда и средств.
При выполнении курсового проекта были закреплены навыки работы с технической и методической литературой, действующими ГОСТами и отраслевыми стандартами.
Список использованных источников
1. Гелль П.П. Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация РЭА: Учебник для вузов. - Л.:Энергоатомиздат, 1984 г.
2. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. - М.: Сов.радио, 1971 г
3. Расчет надежности. Методическое пособие, РГКРИПТ 2009 г.
4. Расчет надежности. Методические указания по применению электронного пакета «Автоматизированная система расчета надежности РЭА» РГКРИПТ 2009 г.
5. Расчет платы печатной (ПП). Методическое пособие, РГКРИПТ 2003г.
6. Текстовые документы ГОСТ 2.106.-96
7. Гелль П.П. Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация РЭА: Учебник для вузов. - Л.:Энергоатомиздат, 1984 г.
8. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989 г.
9. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочное пособие / Э.Т. Романычева и др. – М.: Радио и связь, 1984 г.
10. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Акимов Н.Н. и др. – Минск, «Беларусь», 1994 г.
11. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные: Справочник / А.Б. Гитцевич и др. – М.: Радио и связь, 1989 г.
12. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / А.А. Зайцев и др. – М.: КубК-а, 1995 г.
13. www.chip-dip.ru
14. www.platan.ru
Содержание
Введение 3
1 Анализ технического задания 5
1.1 Основные характеристики и область применения 5
1.2 Описание работы схемы 5
2 Выбор и обоснование конструкции изделия 7
2.1 Конструктивно-технологические требования 8
2.2 Описание конструкции изделия 9
3 Расчетная часть 13
3.1 Расчет надежности 13
3.2 Компоновка печатной платы, проектируемого изделия РЭА 17
3.3 Расчет платы печатной 19
4 Качественный и количественный анализ технологичности
конструкции РЭА 27
Заключение 33
Список использованных источников 34
Приложение А – Схема электрическая принципиальная; и перечень
элементов к ней
Приложение Б – Компоновка печатного изделия; сборочный чертеж
и спецификация.