4. Схемотехническая отработка конструкции

Схемотехническая отработка конструкции проектируемого блока представляет ряд вопросов, требующих практического разрешения при разработке, а именно:

- расчленение электрической схемы блока на ячейки;

- выбор типа УП;

- уточнение элементной базы;

-корректировку принципиальной схемы с перечнем элементов к ней.

Анализируя принципиальную схему можно сказать, что количество элементов схемы сравнительно не велико, поэтому источник питания возможно конструктивно изготовить на одной печатной плате приемлемых размеров. Размеры платы будут выбраны на этапе компоновки и трассировки печатных плат, в силу невозможности более точно оценить плотность монтажа.

В данном случае дальнейшее более мелкое разбиение электрической схемы блока на модули не требуется, так как при этом будет проигрыш в размерах прибора в целом, что приведёт к увеличению стоимости блока.

Для получения стабильного напряжения необходимо доработать электрическую принципиальную схему. Стабилизатор должен обеспечивать напряжение питания 24±0.5 В при токе не более 100 мА и входном напряжении 15 В. Необходимо произвести доработку стабилизатора. Согласно описанию, чтобы получить напряжение 24±0.5 В, необходимо правильно выбрать частоту работы генератора, которая задаётся внешними элементами, а так же напряжением на выводе 7 микросхемы DA1. Для устойчивой работы зададим частоту генератора равной 20 кГц. Тогда период импульса определим по формуле:

.

Время включения зададим 50 мкс, тогда время выключения вычислим по формуле:

.

Время выключения составит 7 мкс. Теперь рассчитаем ток ключа при максимальном выходном токе в 100 мА :

.

Ток ключа составит 367 мА. Зная ток ключа, вычислим сопротивление, обеспечивающее необходимую стабилизацию генератора:

.

Сопротивление составит 0.33 Ом. Такое сопротивление можно составить из трёх параллельно включённых резисторов мощностью 0.1 Вт. Суммарная мощность составит 0.3 Вт, что на 0.1 Вт превышает допустимую мощность, проходящую через данное сопротивление. Таким образом элементы стабилизатора подобраны.

В разделе 1 была выбрана двухсторонняя печатная плата. Это обусловлено тем, что необходимо произвести развязку между цепями питания и сигнальными проводами. Также это поможет избежать паразитных наводок получаемых от прохождения помехи по цепям питания, уменьшить габариты блока и снизить его стоимость.

5. Обоснование компоновки блока и его частей

Под компоновкой блока понимают взаимное расположение и ориентацию ячеек и (или) других конструктивных элементов в заданном объеме блока.

В основном, блоки проектируются прямоугольной формы, за исключением блоков, устанавливаемых в специальные отсеки. Разрабатываемый прибор будет содержать одну печатную плату, расположенную горизонтально, прямоугольной формы, следовательно сам блок будет прямоугольной формы.

При компоновке следует учитывать следующее:

- наилучшие температурные условия получаются внутри блока при равномерном распределении источников тепла, однако, это возможно практически только для блоков с малой тепловой нагрузкой;

- ЭРЭ с большой нагревостойкостью можно монтировать более плотно, чем теплочувствительные;

- теплочувствительные ЭРЭ необходимо размещать ниже теплонагруженных, так как при естественном воздушном охлаждении тепловой поток направлен вверх;

- цилиндрические детали выгодно устанавливать вертикально, если такая установка не противоречит правилу расположения выводов в плоскости наибольших механических нагрузок, при этом в трубчатых изделиях необходимо, по возможности, отверстия оставлять открытыми;

- все тепловыделяющие ЭРЭ целесообразно располагать вместе и создавать для них дополнительное охлаждение.

Прежде чем начать компоновку блока, необходимо определиться с компоновкой печатного узла (УП) и определить его основные габаритные размеры. Элементы с планарными и штыревыми выводами, в целях увеличения технологичности и ремонтопригодности УП, будем располагать на одной стороне печатной штаты. Перед установкой ЭРЭ их выводы подвергаются формовке - операции придания выводам специальной формы и длины, обеспечивающих при сборке УП гарантированное расстояние паяного шва от тела элемента, в соответствии с техническими условиями на данный элемент. С учётом всех вышеперечисленных положений выполняем размещение элементов на плате и её трассировку с помощью программы Р-САD 2001. Меняя ориентацию ЭРЭ и печатных проводников в процессе топологического конструирования, добиваемся оптимального результата в разработке УП. Для максимально возможной плотности монтажа выберем печатную плату стандартных размеров 85Х75, имеющую площадь 6375 мм2.

Для успешного осуществления функциональной компоновки и оценки качества компоновочных работ используем следующие критерии.

Коэффициент плотности топологии (вывод/см2).

,

где NВЫВ - сумма выводов (контактных площадок), кроме переходных отверстий всех элементов, установленных на плате, FПП - площадь печатной платы, см2.

Значение КПТ определяет способ проектирования и технологии изготовления печатной платы. В нашем случае:

NВЫВ=93, FПП =63,75 см2, тогда КПТ =1,45.

Коэффициент плотности установки.

,

где - сумма площадей всех элементов устанавливаемых на плате;

кф=0.7…0.9 - коэффициент формы корпуса элемента (степень конструктивного различия). Этот коэффициент используется для оценки возможности автоматической установки (набивки) навесных элементов на плату и облегчает выбор технологического оборудования, используемого при сборке и настройке изделия. В нашем случае кф=0.8, так как ручная установка составляет порядка 40% элементов.

Подставляя численные данные, получим КПУ=0.43. КПУ < 1, значит допустима автоматическая установка и имеется резерв площади платы, а значит, есть возможность относительной вариации формы и размеров используемых компонентов, что снижает требования к возможным аналогам и облегчает замену комплектующих.

Коэффициент заполнения по площади.

,

где КFзап - коэффициент заполнения площади;

Sуст - установочная суммарная площадь радиоэлементов;

Fпп- площадь платы.

,

где Fуст- это прямоугольник, описанный вокруг элемента с учётом его максимальных установочных размеров, требований по его монтажу и регулировке и обеспечивающих его нормальную работу при данном тепловыделении, электрических и магнитных воздействиях (рисунок 5.1), n-- количество ЭРЭ.

.

Данные по установочным размерам элементов сведём в таблицу 5.1.

При помощи таблицы 5.1 находим, Sуст=2477 мм2, тогда рассчитаем значение КFзап учитывая, что площадь печатной платы F=6375 мм2 . Подставляя численные данные, получим КFзап =0.56. Коэффициент заполнения по площади получился достаточно низким. Это значение является вполне приемлемым для наземной стационарной аппаратуры. Такой коэффициенты заполнения могут обеспечит простоту изготовления УП и высокую ремонтопригодность конструкции.

Рисунок 5.1 - Нормализованные установочные размеры ЭРЭ

Таблица 5.1 - Нормализованные установочные размеры ЭРЭ для УУ

Так как прибор состоит из одной платы, которая размещается в корпусе, то при компоновке необходимо только произвести расстановку ЭРЭ на печатной плате. Расстановка элементов и трассировка печатной платы производится с помощью программы Р-САD 2001. Были рассмотрены различные варианты трассировки ПП и выбран наиболее оптимальный вариант. На рисунке 5.2 приведен эскиз компоновки печатной платы.

Рисунок 5.2

6. Расчёт теплового режима

Целью расчета теплового режима является определение комплекса мероприятий, направленных на снижение тепловой нагрузки элементов.

Реальное РЭС в теплофизическом отношении представляет собой очень сложную систему с большим количеством источников тепла с границами неправильной формы. Полную систему уравнений теплообмена для реального аппарата часто невозможно не только решить аналитически, но и строго записать. В связи с этим, процессы, протекающие в реальном радиоэлектронном аппарате, схематизируют, принимают ряд упрощений и в результате получают тепловую модель аппарата, для которой и проводят расчет теплового режима.

В настоящее время наибольшее распространение получила схематизация процессов теплообмена, предложенная Г.Н. Дульневым. Сущность этого метода состоит в том, что пространство (плата, пакет плат) с радиоэлементами принимают за одно тело с изотермической поверхностью (нагретую зону), для которой и производится расчет теплового режима.

В зависимости от конструкции РЭС в нем могут быть выделены одна или несколько нагретых зон. С помощью этого метода определяют среднюю поверхностную температуру нагретой зоны. Расчет теплового режима РЭС заключается в определении по конструктивным данным температур нагретой зоны и поверхностей элементов. В ходе расчета определяют также температуры в других характерных зонах блока (воздуха, корпуса и т.п.).

Оценочный расчет теплового режима базового блока произведем при помощи программы TEPLO.EXE по методике ОСТ4 ГО.012.032. В качестве рассчитываемого элемента выберем транзистор MJE13007, максимальная температура которого составляет 150?С.

Исходными данными для расчета теплового режима передатчика будут следующие:

-герметичный тип корпуса;

-габариты корпуса блока 1159055мм;

- коэффициент заполнения корпуса 0.56;

-мощность рассеиваемая нагретой зоной 5.45 Вт;

-мощность рассеиваемая элементом 0,14 Вт;

-максимально допустимая температура элемента 1500С (для устойчивой работы выберем её в пределах 1300С) ;

-площадь поверхности транзистора 225 мм2.

Результаты расчетов теплового режима сведены в таблицу 6.1, а распределение рабочих температур изображено на рисунке 6.2 и 6.3.

Таблица 6.1 - Результаты теплового расчета

Рисунок 6.2

Рисунок 6.3

Анализ зависимости температуры элемента от внешней среды (рисунок 6.2 и 6.3) показывает, что даже при максимальной температуре внешней среды, равной 550С, температура элемента не превышает максимально допустимого значения. Таким образом, для обеспечения нормального функционирования блока достаточно герметичного корпуса без какого-либо охлаждения.

7. Расчёт вибропрочности

Вибропрочностью называют способность конструкции противостоять разрушающему воздействию вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений. Степень воздействия вибрации определяется собственной частотой механических колебаний частей конструкции и способом их закрепления. При совпадении собственной частоты колебания элемента конструкции с частотой вынужденных колебаний система может войти в резонанс. Низкочастотный резонанс приводит к разрушению конструкции за счёт больших амплитуд изгибных колебаний. При вынужденных колебаниях на высоких частотах может наступить разрушение конструкции за счёт возникновения усталостных напряжений даже при сравнительно малых условиях перегрузок.

Целью данного расчёта является определение собственной частоты колебаний УП, определение прогиба в центре печатной платы, напряжений изгибов в центре печатной платы, напряжения по контуру одной из сторон и перегрузки в центре при резонансе.

Для упрощения расчёта вибропрочности УП представим его в виде прямоугольной пластины. Расчёт вибропрочности УП проводим с помощью программы vibro.ехе. Исходные данные представленны в таблице 7.1. Результаты расчетов приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.1 - Исходные данные

Таблица 7.2 - Результаты расчета

По результатам расчета собственная частота печатного узла составляет 434 Гц, а диапазон частот обнаружения резонанса лежит в пределах 10..70 Гц. Так как рассчитанная частота превышает диапазон указанный диапазон, то явление резонанса возникать не будет. Напряжения изгибов по осям X и Y составляют 8.093 и 11.188 соответственно, что намного меньше предела прочности стеклотекстолита (от 500 до 1000 кг/см2). Это позволяет сделать вывод о том, что выбранный материал печатной платы удовлетворяет требованиям виброустойчивости.

8. расчёт надёжности

Одним из качественных показателей изделия является надёжность. Надёжностью называют свойство изделия выполнять заданные функции в течение требуемого интервала времени при определённых условиях эксплуатации. Расчет надежности прибора делается для периода нормальной эксплуатации, которому соответствует экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы. Среднее время безотказной работы является наиболее простым и удобным критерием для количественной оценки ее надежности. При расчете надежности предполагают, что отказы элементов, входящих в состав устройства являются внезапными и представляют собой случайное событие; интенсивность отказов постоянна; отказ любого элемента влечет за собой отказ всего устройства; отказы элементов являются независимыми.

Расчет надежности произведем с помощью программы RELIABL.EXE. Исходными данными для расчета является перечень элементов, их количество, а также интенсивности отказов каждого элемента приведены в таблице 8.1.

В результате расчета была получена экспоненциальная модель надежности, рисунок 8.1, результаты которой отображены в таблице 8.3, а также были определены интенсивность отказов и время безотказной работы прибора, таблица 8.2.

Полученное значение наработки на отказ составляет 77373.031 часов. Анализируя полученные результаты мы видим, что вероятность безотказной работы характеризуется высоким значением в начале эксплуатации узла и резко падает при достижении определённого значения. Среднее время наработки на отказ достаточно велико, поэтому можно не применять никаких дополнительных мер по повышению надёжности.

Таблица 8.1

Рисунок 8.1 - экспоненциальная модель надежности

Таблица 8.2

Таблица 8.3

9. Разработка конструкции блока

Конструктивно прибор оформлен как настенный блок, но возможна его установка и на горизонтальные поверхности. Крепление к поверхности осуществляется с помощью специальных планок. При конструировании блока используется моносхемный метод конструирования. Так как предъявляются повышенные требования к влагозащите и к вибростойкости, то принимаем решение изготовить корпус из пластмассы (П-610), так как она имеет меньшую массу и стоимость, чем металлы и сплавы и не требует нанесения внешних покрытий для защиты от коррозии.

Исходя из результатов компоновки блока и его узлов, а также условий эксплуатации и технических требований, выбираем в качестве несущей конструкции блок, состоящий из корпуса и крышки. Такая конструкция при серийном производстве вполне удовлетворяет требованиям на технологичность, надежность и не требует дополнительного защитного покрытия для соответствия требованиям на коррозийную стойкость. Кроме того, с помощью литья можно получить детали любой сложной формы, имеющие очень хороший внешний вид, то есть декоративные свойства. Габаритные размеры корпуса 115Х90Х55 мм.

Конструкция печатного узла разрабатывалась с учетом требования минимума габаритных размеров. Поэтому используем двустороннюю печатную плату. Для удобства крепления платы в корпусе делают опорные поверхности в виде четырех бобышек. Плату крепят по углам с помощью четырех винтов. Толщина платы - 2,5 мм. Для повышения надёжности соединений, предохранения от самоотвинчивания и от действия влаги головки винтов покрывают лаком АК-113 ГОСТ 23832-79. Крышка крепится к отверстиям, находящимся в углах корпуса с помощью четырёх винтов. Для крепления корпуса к поверхности применяются специальные планки. Крепление к корпусу так же осуществляется с помощью винтов. На одной из боковых стенок корпуса предусмотрено гнездо для подведения питания - электрический соединитель MG16A - 10.

Пайка электрорадиоэлементов производится припоем ПОС61, ГОСТ 21931-76. Печатная плата покрывается лаком УР-231 УХЛ.2.3 ТУ6-21-14-90. Покрытие имеет хорошие диэлектрические параметры. Уменьшение механических напряжений, от воздействия вибрации, можно реализовать многослойным покрытием лака.

Таким образом, проектирование конструкции корпуса окончено. Результатом проектирования является сборочный чертеж корпуса блока.

10. Заключение

В результате выполнения курсового проекта был разработан источник питания охранного устройства. Данный блок соответствует требованиям ТЗ. Он имеет небольшие габариты и удобен при транспортировке. Конструкция блока обеспечивает защиту его элементов от влияния внешней среды. Достоинством конструкции является её высокая надёжность, устойчивость к воздействиям механических и климатических дестабилизирующих факторов, высокая стабильность, относительно небольшая стоимость. Использование малогабаритных дискретных элементов делает УП малых размеров, они имеют малые массы.

Конструкцию можно доработать под более широкий температурный диапазон, если подобрать соответствующую элементную базу. Данный блок может функционировать при температурах от -40 єС до 55 єС, что позволяет применять его как в помещениях, так и на улице.

Параметры и характеристики, полученные при проектировании соответствуют техническому заданию.

При выполнении курсового проекта были использованы следующие пакеты специализированного компьютерного программного обеспечения:

- Microsoft Word (оформление текстовой части и спецификации);

- P-Cad 2001 (проектирование печатного узла);

- MathCAD (расчёт различных характеристик);

- Компас-3D 13 (оформление чертежей);

- TEPLO.EXE (расчет теплового режима);

- VIBRO.EXE (расчет вибростойкоости);

- RELABIL.EXE (расчет надежности).

Использование данных программ позволило значительно облегчить процесс разработки конструкции и расчета различных узлов данного устройства.

Перечень литературы, использованной при конструировании

1. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Э.Т. Романычева и др.-М.: Радио и связь,1989.

2. Усатенко С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, 1989.

3. Яроцкий В.Г., Печаткин А.В. Проектирование и технология радиоэлектронных средств: Учебное пособие в 3-х частях./ РГАТА. - Рыбинск, 1997.

4. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. Учеб. пособие для вузов. М.: Советское радио, 1986

5. Богданович Б.М., Окулич Н.И. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для вузов. Под общ. ред. Б.М. Богдановича. - Мн.: Высшая школа, 1991г.

6. Каталог «Электронные компоненты и приборы» 2005г.

7. ГОСТ 52003-2003 ЕСКД. Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств.

8. ГОСТ 16019-2001. Выбор группы условий эксплуатации.

9. ОСТ4.ГО.050.207 Нормирование сборочных и монтажных работ при изготовлении узлов РЭА на микросхемах и микросборках. Нормы времени.

10. ОСТ4.ГО.050.016 Нормы монтажных работ. Нормы штучного времени.

11. ОСТ4.ГО.054.265 Установка радиоэлементов на печатные платы.

12. Информационно-справочный сайт www.chipindustry.ru.

13. Каталог «Электронные компоненты и приборы» 2005г.

Приложения

Рисунок П1 - Принципиальная схема устройства

Рисунок П2 - Чертеж печатной платы устройства

Размещено на Allbest.ru