Разработка устройства для измерения радиационного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГПП - гибкие печатные платы;

ДПП - двусторонние печатные платы;

ЖКИ - жидкокристаллический индикатор;

ИМС - интегральная микросхема;

КП - контактная площадка;

КЭ - конструктивный элемент;

МК - микроконтроллер;

МПП - многослойные печатные платы;

ОПП - односторонние печатные платы;

ПП - печатная плата;

ПУ - печатный узел;

РЭА - радиоэлектронная аппаратура;

САПР - система автоматического проектирования;

СГ - счетчик Гейгера;

УГО - условное графическое обозначение.



ВВЕДЕНИЕ

Ионизирующее излучение, часто называемое радиоактивным излучением, Ї это естественное явление, всегда присутствующее в окружающей нас природной среде.[1] На нас постоянно воздействует излучение радиационного фона Земли и космоса. Мы постоянно подвергаемся влиянию излучения природных радиоактивных материалов, находящихся в почве и в строительных материалах зданий и сооружений, в которых мы живем и работаем. В последнее время все чаще люди подвергаются дополнительному воздействию радиоактивных излучений, например, при определенных медицинских процедурах или при курении. Имеет место также влияние на людей источников радиоактивного излучения техногенного происхождения вследствие загрязнения обширных территорий выбросами, происшедшими во время аварии на Чернобыльской АЭС. Таким образом, к воздействию на нас природного ионизирующего излучения нередко добавляется и «чернобыльская составляющая», негативно влияющая на наш организм при попадании внутрь него вместе с сельскохозяйственными продуктами питания, выращенными на загрязненных территориях, с лесными ягодами и грибами. Ионизирующее излучение Ї это, прежде всего, рентгеновское, гамма-, бета-, альфа- и нейтронное излучения.

Исходя из вышесказанного, следует, что для контроля радиационной чистоты жилых помещений, зданий сооружений, предметов быта, одежды, транспортных средств, фабрик, ферм, поверхности почвы на приусадебных участках; для оценки радиационного загрязнения различных растений, например, лесных ягод и грибов, а также как наглядное пособие для учебных заведений, вытекает потребность разработки устройства для измерения радиационного излучения. Разработка такого устройства является целью данного проекта.

Прибор предназначается для определения уровня ионизирующей радиации. Так как в повседневной жизни человек чаще всего встречается с опасностью гамма-, бета- и рентгеновского излучения, то большинство приборов для контроля радиационного излучения контролируют именно эти виды излучений. Именно для предупреждения опасности гамма-, бета- и рентгеновского излучения и разрабатывается прибор для измерения радиационного излучения.

Для достижения поставленной цели в бакалаврской работе определяются следующие задачи:

1. Анализ технического задания.

2. Разработка структурной схемы

3. Разработка принципиальной схемы.

4. Выбор элементной базы.

5. Проектирование печатной платы.

6. Конструкторские расчеты.

7. Моделирование работы отдельных функциональных узлов схемы.

8. Охрана труда



1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Ионизирующее излучение

Как уже упоминалось, ионизирующее излучение Ї это, прежде всего, рентгеновское, гамма-, бета-, альфа- и нейтронное излучения.

Рентгеновское и гамма-излучение представляют собою энергию, которая передается в виде волн, наподобие света и тепла, идущих от Солнца. Рентгеновское и гамма-излучение по своей природе не очень отличаются между собою. Различие состоит лишь в способах их возникновения и длинах волн. Рентгеновские лучи, как правило, получают с помощью электронных аппаратов, которые можно встретить в каждой поликлинике. Гамма-лучи излучаются нестабильными радиоактивными изотопами. Как рентгеновское так и гамма-излучения характеризуются большой проникающей способностью, которая, в свою очередь, зависит от энергии лучей.

Проникающая способность гамма-лучей высокой энергии столь велика, что ее может остановить лишь толстая свинцовая или бетонная плита.

Альфа-излучение Ї это поток ядер гелия. Альфа-излучение имеет очень малую проникающую способность и задерживается, например, листком бумаги. Поэтому оно не несет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, которые излучают альфа-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с едой или посредством дыхания с воздухом.

Бета-излучение Ї это поток электронов. Бета-излучение имеет высокую проникающую способность: оно проходит в ткани организма на глубину от 1 до 2 см.

Нейтронное излучение Ї это поток нейтронов, который возникает в процессе ядерного деления в реакторах или вследствие спонтанного деления в ядерных материалах. Поскольку нейтроны Ї это электронейтральные частички, то они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани.[1]

Исходя из вышесказанного и учитывая то, что человек в повседневной жизни наиболее часто сталкивается с бета-, гамма- и рентгеновским излучением, можно сделать вывод, что разработка прибора способного измерять эти виды излучения является целесообразным.

1.2 Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера (Гейгера-Мюллера) -- газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. Изобретён счетчик был в 1908 году Гансом Гейгером и усовершенствован Мюллером. Является самым распространенным детектором (датчиком) ионизирующего излучения. До сих пор ему, изобретенному в самом начале прошлого века для нужд зарождающейся ядерной физики, нет, как это ни странно, сколько-нибудь полноценной замены.

Дополнительная электронная схема обеспечивает счётчик питанием (как правило, не менее 300 В), обеспечивает, при необходимости, гашение разряда и подсчитывает количество разрядов через счётчик.

Счётчики Гейгера разделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся (не требующие внешней схемы прекращения разряда).

Чувствительность счётчика определяется составом газа, его объёмом, а также материалом и толщиной его стенок.

Наиболее часто в приборах применяются счетчики с рабочим напряжением порядка 400 В, такие как:

1. «СБМ-20» (по размерам Ї чуть толще карандаша).

2. «СБМ-21» (оба со стальными корпусами, пригодные для измерения бета- и гамма-излучения).

3. «СИ-8Б» (со слюдяным окном в корпусе, пригоден для измерения бета-излучения).

Цилиндрический счётчик Гейгера-Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки, и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка -- катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы -- аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 400 В. Для большинства счетчиков существует так называемое плато, которое лежит приблизительно от 360 до 460 В, в этом диапазоне небольшие колебания напряжения не влияют на скорость счета.

Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счётчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается -- настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счётчика является его эффективность. Не все Гама-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные электроны и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма-лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных электронов поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема.

Эффективность счётчика зависит от толщины стенок счётчика, их материала и энергии гамма-излучения. Наибольшей эффективностью обладают счётчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z, так как при этом увеличивается образование вторичных электронов.

Примечание. Атомный номер, Z Ї это порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер равен числу протонов в атомном ядре, которое, в свою очередь, равно числу электронов в электронной оболочке соответствующего нейтрального атома. Заряд ядра равен Ze, где е -- положительный элементарный электрический заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона.[2]

Кроме того, стенки счётчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счётчика выбирается из условия её равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счётчика и возникновения импульса тока не произойдет. СГ имеет свои минусы Ї по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые СГ под действием альфа-частиц, электронов, гамма-квантов ничем не различаются.[3]

Приведем некоторые паспортные данные, на примере счетчика СБМ 20.

· Номинальное рабочее напряжение Ї 400 В.

· Протяжность плато счетной характеристики Ї не менее 100 В.

· Изменение чувствительности счетчика в течение всего ресурса не превышает .

· Собственный фон Ї не более 1 имп/сек.

· Амплитуда импульса Ї не менее 50 В.

· Диапазон регистрируемых мощностей Ї (0,001…10) мкр/сек.

· Чувствительность к излучению Ї 460 имп/сек.



Рис. 1.1 Ї Зависимость скорости счета от напряжения питания

Рис. 1.2 Ї Зависимость скорости счета от уровня радиации

1.3 Приборы, измеряющие радиационное излучение

Радиометрия -- совокупность методов измерений активности источников ионизирующего излучения. Базируется на различных физических эффектах, возникающих при воздействии излучения на вещество -- люминесценция, ионизация, образование видимых следов.

Одним из основоположников радиометрии является Ганс Гейгер, который изобрёл вышеупомянутый счётчик заряженных частиц. Также можно назвать Чарльза Вильсона, который изобрел камеру Вильсона, позволяющую наблюдать траектории заряженных частиц.

Задача прибора предназначенного для измерения радиационного излучения состоит в измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени. Такие приборы обычно называют дозиметрами, а сам процесс измерения Ї дозиметрией. Они обычно имеют в своем составе световую и (или) звуковую сигнализацию и дисплей для визуализации измерений. Масса бытовых приборов от 400 до нескольких десятков граммов, размер позволяет положить их в карман. Некоторые современные модели можно надевать на запястье, как часы. Время непрерывной работы от одной батареи от нескольких суток до нескольких месяцев.

Диапазон измерения бытовых дозиметров, как правило, от 10 до 10 тысяч микрорентген в час (0,1 -- 100 микрозиверт в час), погрешность измерения составляет Ї ±30 %.

Примечания:

1. Рентген -- внесистемная единица экспозиционной дозы радиоактивного облучения рентгеновским или гамма-излучением, определяемая по их ионизирующему действию на сухой атмосферный воздух. Международное обозначение -- R, русское -- P. В переводе на метрическую систему 1 Р приблизительно равен 0,0098 Зв (Зиверт).

2. Зиверт -- единица эффективной эквивалентной и эквивалентной доз ионизирующего излучения в системе СИ (используется с 1979 г.). 1 Зиверт -- это количество энергии, поглощённое килограммом биологической ткани, т. е. такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж (1 Зв = 1 Дж/кг). Международное обозначение -- Sv, русское -- Зв.

Детектором (чувствительным элементом дозиметра, служащим для преобразования явлений, вызываемых ионизирующими излучениями в электрический или другой сигнал, доступный для измерения) может являться ионизационная камера, сцинтиллятор, счётчик Гейгера или же специальный полупроводниковый диод.

Бытовые дозиметры получили широкое распространение после Чернобыльской аварии 1986 года. До этого времени дозиметры использовались только в научных или военных целях.[4]

На уровне моря значение ионизирующей радиации должно быть близко к 15 мкР/ч, т. е. на уровне ЕРФ Ї уровень ионизирующей радиации естественного происхождения. В проектируемом устройстве это значение (15 мкР/ч) берется за ЕРФ, при детектировании и подсчете радиации.[1]

1.4 Микроконтроллер

Микроконтроллеры Ї это самостоятельная компьютерная система, которая содержит процессор, память, устройства ввода-вывода данных и другие вспомогательные схемы и устройства в одном корпусе («на одном кристалле»).

Разнообразие микроконтроллеров огромно. Обычно микроконтроллеры классифицируют по разрядности обрабатываемых чисел. В последнее время выделяют три основных класса:

1. 8-ми разрядные микроконтроллеры.

2. 16-ти и 32-ух разрядные микроконтроллеры.

3. Цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Рис 1.3 Ї Структура компьютера с архитектурой фон Неймана



Микроконтроллер может быть организован по одному из двух принципов организации вычислительной среды Ї Принстонскому, известному так же как принцип фон Неймана, или Гарвардскому принципу. Принстонский принцип предполагает общую память для хранения программ и данных.

Рис. 1.4 Ї Структура компьютера с Гарвардской архитектурой

Основной особенностью архитектуры однокристальных микроконтроллеров является использование Гарвардского принципа организации вычислительной среды, который предполагает раздельную память программ и память данных.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computers -- компьютеры со сложной системой команд) и RISC (Reduced Instruct Set Computers -- компьютеры с сокращенной системой команд).

RISC -- архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения команд, чтобы их декодирование было проще, а время выполнения -- короче.

Характерные особенности:

1. Фиксированная длина машинных команд (например, 32 бита) и простой формат команды.

2. Специализированные команды для операций с памятью -- чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров.

3. Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

4. Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных -- байт, 16-битное слово.

5. Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC процессоре исполняется микропрограммами, в RISC процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений.

CISC -- концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

1. Нефиксированное значение длины команды.

2. Арифметические действия кодируются в одной команде.

3. Небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Недостатки CISC архитектуры:

1. Высокая стоимость аппаратной части.

2. Сложности с распараллеливанием вычислений.

В микроконтроллерах различных устройств RISC используется в подавляющем большинстве случаев и в рамках данного проекта будет использован микроконтроллер с RISC архитектурой набора команд и с Гарвардским принципом организации вычислительной среды.[5]

2. 

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2.1 Основные узлы устройства и их назначение

Произведя анализ технического задания, можно выделить следующие основные узлы прибора и составить структурную схему устройства. К основным узлам можно отнести:

1. Блокинг-генератор.

2. Детекторная камера.

3. Одновибратор.

4. Свето-акустический узел индикации.

5. Микроконтроллер.

6. Блок индикации.

7. Преобразователь постоянного напряжения.

10. Батарея.

Рассмотрим назначение всех вышеперечисленных узлов устройства.

Блокинг-генератор формирует короткие импульсы с амплитудой около 400 В, которые необходимы для питания главного элемента конструкции, а именно, СГ. Ключевым элементом блокинг-генератора является повышающий трансформатор, который заряжает конденсатор, который в свою очередь и является источником питания для детектора, частота генерации задается при помощи RC-цепочки.

Детекторная камера, в состав которой входит главный элемент прибора Ї СГ, предназначена для детектирования радиации.

Одновибратор формирует из короткого импульса импульс прямоугольной формы, который необходим для правильной работы микроконтроллера.

Свето-акустический узел индикации предназначен для индикации радиоактивных частиц и индикации переключения режимов. Акустический узел собран на ждущем генераторе и пьезоэлектрическом излучателе.

Микроконтроллер предназначен для управления и цифровой обработки данных, приходящих с детекторной камеры. Также он предназначен для управления внешней периферией, т. е. передачи данных на индикаторные устройства прибора.

Блок индикации предназначен для визуализации результатов замера.

Преобразователь постоянного напряжения предназначен для повышения напряжения питания до нужного уровня.

Батарея задает напряжение питания устройства.

2.1 Структурная схема устройства

Рис. 2.1 Ї Структурная схема устройства для измерения радиационного излучения

Главным элементом схемы является датчик радиации Ї счетчик Гейгера, при помощи которого происходит идентификация и измерение уровня радиационного излучения. Питается он высоким напряжением 400 В, которое генерирует блокинг-генератор, при помощи повышающего трансформатора, который получает от микроконтроллера напряжение с амплитудой 5 В и повышает его до нужного уровня для питания счетчика. Далее импульс короткой длительности поступает на одновибратор, где из него формируется импульс прямоугольной формы и нужной длительности, необходимой для корректной работы микроконтроллера. Микроконтроллер Ї один из основных элементов схемы, так как является связующим узлом для остальных элементов, выполняет все арифметико-логические задачи, производит управление внешней периферией. Также микроконтроллер выдает импульсы подкачки для блокинг-генератора, относительно пришедших частиц; управляет блоком индикации, генератором для акустического излучателя.

3. 

3. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

3.1 Выбор и обоснование элементной базы

Произведем обоснование выбора ИМС, которая будет использована в устройстве, а именно, микросхема И-НЕ, в которой в одном корпусе находится четыре элемента И-НЕ. Анализ произведем с тремя микросхемами, которые являются аналогами друг другу и полностью аналогичны по своей функциональности: HEF4011B, SN74HC00, MM74HC00.

Выбранные для сравнения параметры микросхем и их значения представлены в таблице 3.1. Выбор параметров для сравнения производился исходя из их различия в значениях, т. е. выбирались параметры, значения которых отличаются в рассматриваемых микросхемах, а также, исходя из важности того или иного параметра.

Таблица 3.1 Ї Параметры микросхем И-НЕ

Серии ИМС	Pрас, мВт	Vccmax, В	Tmaxamb, єС	tr, tf, нс	Icc, мкА
HEF4011B	500	18	125	750	50
SN74HC00	400	7	125	500	40
MM74HC00	500	7	85	500	20
Весовой коэффициент	0,35	0,25	0,15	0,1	0,15

Примечание. Pрас Ї мощность рассеивания; Vccmax Ї максимальное напряжение питания; Tmaxamb Ї максимальная температура окружающей среды; tr, tf Ї уровень нарастания или спадания; Icc Ї ток питания

Произведем выбор оптимальной микросхемы при помощи метода выбора компонентов по матрице параметров.

Если увеличение параметра приведет к ухудшению работы схемы, то необходимо его пересчитать по формуле:



.(3.1)

Таблица 3.2 Ї Приведенные параметры Y

500	18	125	0,0013	50
400	7	125	0,002	40
500	7	85	0,002	20

Запишем матрицу нормированных параметров. Элементы матрицы рассчитаем по формуле:

. (3.2)

Таблица 3.3 Ї Матрица нормированных параметров А

0	0	0	0,35	0
0,2	0,611	0	0	0,2
0	0,611	0,32	0	0,6

Далее рассчитаем оценочную функцию, по которой и определим оптимальную микросхему. Воспользуемся формулой:

, (3.3)

где Ї весовой коэффициент. Составим оценочную функцию для каждой серии ИМС: .

Рекомендованная серия микросхем та, которая имеет минимальное значение оценочной функции. Как видно из результатов расчетов, выбираем микросхему HEF4011B.

Произведем обоснование выбора детектора радиации, который будет использован в устройстве, а именно, счетчик Гейгера-Мюллера. Анализ произведем с тремя счетчиками, которые являются аналогами друг другу и аналогичны по своей функциональности: СБМ 20, СТС 6, СИ 5Ф.

Выбранные для сравнения параметры детекторы и их значения представлены в таблице 3.4. Выбор параметров для сравнения производился исходя из их различия в значениях, т. е. выбирались параметры, значения которых отличаются в рассматриваемых детекторах, а также, исходя из важности того или иного параметра.

Таблица 3.4 Ї Параметры детекторов радиации

Тип детектора	S, мкР-1	Vном, В	Vнач, В	Ф, с-1	m, г
СБМ 20	67	400	260	1	10
СТС 6	210	400	295	1,83	25
СИ 5Ф	55	900	750	0,5	27
Весовой коэффициент	0,2	0,25	0,15	0,15	0,25

Примечание. S Ї чувствительность к гамма-излучению; Vном Ї номинальное рабочее напряжение; Vнач Ї напряжение начала счета; Ф Ї собственный фон; m Ї масса

Произведем выбор оптимального счетчика при помощи метода выбора компонентов по матрице параметров.

Если увеличение параметра приведет к ухудшению работы схемы, то необходимо его пересчитать по формуле (3.1).

Таблица 3.5 Ї Приведенные параметры Y

67	0,003	0,00332	1	0,1
210	0,003	0,00334	0,55	0,04
55	0,001	0,00133	2	0,037

Запишем матрицу нормированных параметров. Элементы матрицы рассчитаем по формуле (3.2).



Таблица 3.6 Ї Матрица нормированных параметров А

0,681	0	0,006	0,5	0
0	0	0	0,725	0,6
0,738	0,667	0,602	0	0,63

Далее рассчитаем оценочную функцию, по которой и определим оптимальный тип счетчика. Воспользуемся формулой (3.3).

Составим оценочную функцию для каждого типа детектора: .

Рекомендованный тип счетчиков Гейгера-Мюллера тот, который имеет минимальное значение оценочной функции. Как видно из результатов расчетов, выбираем детектор радиации СБМ 20.

Произведем обоснование выбора еще одной микросхемы, которая будет использована в устройстве, а именно, микроконтроллера. Анализ произведем с тремя ИМС, которые являются аналогами друг другу и аналогичны по своей функциональности: Atmega8, PIC16F, MC68HC08.

Выбранные для сравнения параметры микросхем и их значения представлены в таблице 3.7. Выбор параметров для сравнения производился исходя из их различия в значениях, т. е. выбирались параметры, значения которых отличаются в рассматриваемых микросхемах, а также, исходя из важности того или иного параметра.

Таблица 3.7 Ї Параметры микроконтроллеров

Серия микроконтроллера	fтакт, МГц	ROM-память, Байт	Flash-память, КБайт	RAM-память, Байт	Vмакс, В
Atmega8	16	512	8	1000	5,5
PIC16F	20	64	1,5	67	5,5
MC68HC08	8	512	4	128	5
Весовой коэффициент	0,3	0,1	0,25	0,2	0,15

Примечание. fтакт Ї тактовая частота; Vмакс Ї максимальное рабочее напряжение



Произведем выбор оптимального микроконтроллера при помощи метода выбора компонентов по матрице параметров.

Если увеличение параметра приведет к ухудшению работы схемы, то необходимо его пересчитать по формуле (3.1).

Таблица 3.8 Ї Приведенные параметры Y

16	512	8	1000	5,5
20	64	1,5	67	5,5
8	512	4	128	5

Запишем матрицу нормированных параметров. Элементы матрицы рассчитаем по формуле (3.2).

Таблица 3.9 Ї Матрица нормированных параметров А

0,2	0	0	0	0
0	0,875	0,813	0,933	0
0,6	0	0,5	0,872	0,091

Далее рассчитаем оценочную функцию, по которой и определим оптимальную микросхему. Воспользуемся формулой (3.3).

Составим оценочную функцию для каждого типа детектора: .

Рекомендованная серия микроконтроллеров та, которая имеет минимальное значение оценочной функции. Как видно из результатов расчетов, выбираем микросхему Atmega8.

3.2 Схема электрическая принципиальная устройства

Как уже не раз упоминалось, работа любого устройства для измерения или индикации радиационного излучения построена на детектировании радиации при помощи детектора, в разрабатываемом устройстве в качестве датчика ионизирующей радиации, т. е. детектора радиации, используется СГ СБМ 20, на схеме обозначен Ї BD1. Питается счетчик высоким напряжением, которое формируется на его аноде при помощи блокинг-генератора, состоящего из трансформатора Т1, транзистора VT4, диодов VD2 и VD4, конденсаторов C9 и C13, резисторов R2 и R12. На повышающей обмотке 1 трансформатора Т1 периодически с частотой в несколько герц возникают импульсы напряжения, амплитуда которых близка к напряжению питания BD1. Эти импульсы через диод VD2 заряжают конденсатор С9, который и становится таким образом источником питания детектора радиации. Диод VD4, демпфируя обратный импульс напряжения на обмотке 2, препятствует переходу блокинг-генератора в режим значительно более высокочастотного LC-генератора.

При возбуждении BD1 бета-частицей или гамма-квантом в нем возникает импульс тока с коротким фронтом и затянутым спадом. Соответственно импульс напряжения такой же формы возникает на его катоде. Его амплитуда Ї не менее 50 В.

Назначения одновибратора, выполненного на элементах DD2.1 и DD2.2, микросхема И-НЕ, а также конденсатора С8 и резистора R5, состоит в том, чтобы преобразовать импульс, снятый с катода СГ, в импульс прямоугольной формы цифрового стандарта. В его формировании важную роль играет резистор R3, ограничивающий ток в защитных диодах микросхемы до величины, при которой «нулевое» напряжение на входе DD2.1 остается в пределах напряжения уровня логического нуля.

Этот единичный импульс поступает на вход INT1 (PD3) микроконтроллера DD3. С микроконтроллера импульс поступает на мультивибратор, который выполнен на элементах DD2.3 и DD2.4, микросхемы И-НЕ, пъезоизлучателе ВА2, конденсаторе С10, резисторе R7. Поступивший импульс на вход 6 DD2, создает нужные для его самовозбуждения условия. Мультивибратор возбуждается и парафазно подключенный к его выходам пъезоизлучатель трансформирует это возбуждение в короткий акустический щелчок, сигнализирующий о попадании радиационной частицы на детектор. Также о попадании частиц сигнализирует светодиод HL1. Еще DD3 осуществляет управление свето-акустическим узлом, который состоит из ЖКИ HG1, потенциометра R8, генератора звука ВА1, транзистора VT1, вышерассмотренного мультивибратора, а также выдает импульсы подкачки для блокинг-генератора.

Микроконтроллер выдает импульс на генератор звука ВА1, через транзистор VT1, который откроется при подаче на него напряжения в результате превышения естественного радиационного фона. Также значение ЕРФ, превышение ЕРФ и время измерение выводятся по средствам DD3 на ЖКИ. Яркость HG1 регулируется при помощи потенциометра R8.

Тактовая частота микроконтроллера DD3 задается при помощи кварцевого генератора ZQ1.

Преобразователь постоянного напряжения, состоящий из преобразователя DD1, конденсаторов С1-С3, диода VD1, катушки L1, повышает напряжение питание, поступающее от батареи GB1 (4,5 В), до необходимого уровня Ї 5 В. Т. е. преобразователь позволяет максимально эффективно использовать батарею.

По средствам кнопки SB1 на элементы схемы подается питание, т. е. устройство включается.

4. 

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ В САПР ORCAD

радиационный излучение прибор принципиальный

Для проверки работы участка схемы, а именно одновибратора, отвечающего за преобразование короткозатянутого импульса поступающего от детектора радиации и сигнализирующего о попадании радиационной частицы, воспользуемся САПР ORCAD, который позволяет проводить моделирование электрических схем и систем.

Создаем схему одновибратора, которая присутствует в схеме электрической принципиальной устройства. И задаем исходные номиналы. Результат показан на рисунке ниже.

Рис. 4.1 Ї Схема одновибратора в ORCAD

Как видно из схемы, на вход подан сигнал имеющий форму пилы, аналогичную к реальному сигналу, который поступает с выхода СГ. Сигнал в виде пилы был задан при помощи генератора прямоугольного импульса путем задания малой длительности импульса относительно большого периода, малого времени нарастания и на порядок большего времени спадания.

Полученные временные диаграммы (результат работы) представлены ниже.



Рис. 4.2 Ї Временная диаграмма в ORCAD (входной сигнал)

Рис. 4.3 Ї Временная диаграмма в ORCAD (выходной сигнал)

Исходя из результатов, можно сделать вывод, что промоделированный участок схемы функционирует правильно, так как результат подтвердил работоспособность одновибратора.

5. 

5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ УСТРОЙСТВА

5.1 Разработка посадочных мест

Тип корпуса: TQFP32.

Рис. 5.1 Ї Корпус TQFP32



Таблица 5.1 Ї Размеры для корпуса TQFP32

Рис. 5.2 Ї Посадочное место для корпуса TQFP32

Таблица 5.2 Ї Размеры для посадочного места для корпуса TQFP32



В вышерассмотренном типе корпуса реализована микросхема Atmega8.

Тип корпуса: SO14.

Рис. 5.3 Ї Корпус SO14

Таблица 5.3 Ї Размеры для корпуса SO14



Рис. 5.4 Ї Посадочное место для корпуса SO14

Таблица 5.4 Ї Размеры для посадочного места для корпуса SO14

В вышерассмотренном типе корпуса реализована микросхема HEF4011B.

Тип корпуса: 8-pin мMAX.



Рис. 5.5 Ї Корпус 8-pin мMAX

Таблица 5.5 Ї Размеры для корпуса 8-pin мMAX



Рис. 5.6 Ї Посадочное место для корпуса 8-pin мMAX

В вышерассмотренном типе корпуса реализована микросхема MAX1674.

Тип корпуса: СБМ 20.

Рис. 5.7 Ї Корпус СБМ 20

Рис. 5.8 Ї Посадочное место для корпуса СБМ 20

В вышерассмотренном типе корпуса реализован СГ СБМ 20.

Посадочное место для разъема: PLS-15.



Рис. 5.9 Ї Разъем PLS-15

Рис. 5.10 Ї Посадочное место для разъема PLS-15

Посадочное место для трансформатора.

Рис. 5.11 Ї Посадочное место для трансформатора

5.2 

5.3 Выбор и обоснование типа и формы печатной платы

Произведем выбор типа ПП среди возможных вариантов, а именно:

· односторонние ПП (ОПП);

· двусторонние ПП (ДПП);

· многослойные ПП (МПП);

· гибкие ПП (ГПП).

К преимуществам ОПП можно отнести простоту и экономичность изготовления, также они обеспечивают возможность выполнения проводящего рисунка с повышенной точностью, позволяют осуществлять установку навесных элементов на поверхность платы со стороны, противоположной пайке, без дополнительной изоляции. Однако ОПП при данном количестве компонентов будет иметь большие размеры и вызовет проблемы при трассировке, также ОПП имеют низкую механическую прочность и низкую надежность.

ДПП имеют высокую трассировочную способность, обеспечивают высокую плотность монтажа, имеют хорошую механическую прочность и, при этом, требуют на изготовление относительно невысокие расходы.

Технология изготовления МПП требует больших затрат, что неизбежно повлечет за собой возрастание цены прибора, что является не желательным при конструировании ПП изготовляемого устройства.

ГПП состоит из медной фольги, клея и гибкой изоляционной пленки на основе полиимида. ГПП применяются в изделиях, у которых жесткие ограничения на объем и массу. Способность изгибаться более чем в одной плоскости. Для ГПП характерны такие свойства, как компактность, высокая надежность и высокая ударная прочность. Однако есть и существенные недостатки, а именно: применение дорогих материалов для их изготовления, трудно обеспечить высокие электрические характеристики печатного монтажа.[6]

Исходя из вышеизложенного анализа типов ПП, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным выбором будет ДПП. Так как применение этого типа ПП позволяет облегчить трассировку соединений, компактнее разместить элементы, а значит рационально использовать площадь печатной платы. Также она обеспечивает повышенную прочность соединения выводов навесного элемента с проводящим рисунком платы.

Исходя из количества и размещения элементов на схеме, наиболее оптимальной формой для данной ПП будет прямоугольная, с соотношением сторон 4:3.

5.4 Выбор и обоснование материала печатной платы

Материал, который будет применяться в качестве основы для ПП, должен обладать высокими электроизоляционными свойствами, иметь достаточную механическую стойкость и быть устойчивым к механическим воздействиям. Эти критерии удовлетворяют такие электротехнические материалы, как стеклотекстолит, фторопластовая пленка, керамика и другие.

Основными материалами для изготовления ДПП являются гетинакс и стеклотекстолит. Стеклотекстолит Ї спрессованные слои стеклотканей, пропитанные эпоксидной смолой. Гетинакс Ї спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропитанные фенольной смолой. Оба материала имеют малую водопроницаемость, большое поверхностное сопротивление.

В качестве материала для изготовления проектируемой печатной платы выбираем стеклотекстолит фольгированный СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78, так как стеклотекстолит превосходит гетинакс по всем электрическим и механическим параметрам и уступает по экономическим показателям. Поскольку в техническом задании экономические показатели изготовления данного устройства не оговорены, то этот критерий является менее важным, чем электромеханические параметры.

Приведем значения электрических характеристик стеклотекстолита фольгированного СФ-2-35-1,5:

· удельное поверхностное сопротивление: 1,0•1012 Ом;

· удельное объемное сопротивление: 1,0•1011 Ом·м;

· тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1МГц: 0,025;

· диапазон рабочих температур: (-60…+155) °С;

· диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц: е = 6,0.

5.5 Выбор и обоснование класса точности печатной платы

По точности изготовления элементов печатного монтажа ПП делят на 5 классов. Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции ПП в зависимости от классов точности приведены ниже в таблице по ГОСТ 23751-86.

Таблица 5.6 Ї Основные параметры и размеры ПП

Класс точности	Минимальная ширина проводника, мм	Расстояние между краями соседних элементов, мм	Гарантийный поясок, мм	г
1	0,75	0,75	0,3	0,4
2	0,45	0,45	0,2	0,4
3	0,25	0,25	0,1	0,33
4	0,15	0,15	0,05	0,25
5	0,1	0,1	0,025	0,2

Примечание. г Ї отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП[6]

Платы первого и второго классов характеризуются простотой исполнения, низкой стоимостью, высокой надежностью, но имеют большие габариты. Печатные платы остальных классов точности отличаются высокой плотностью монтажа, применением дорогостоящих технологий и высококачественных материалов при своем изготовлении, высокой ценой и трудоемкостью производства.

ПП 3-гo класса Ї наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой -- для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное, оборудование.

ПП 4-го класса выпускаются на высокоточном оборудовании, но требования к материалам, оборудованию и помещениям ниже, чем для пятого класса.

Изготовление ПП 5-гo класса требует применения уникального высокоточного оборудования, специальных (как правило, дорогих) материалов, безусадочной фотопленки и даже создания в производственных помещениях «чистой зоны» с термостатированием. Таким требованиям отвечает далеко не каждое производство. Но ПП небольшого размера могут выполняться по пятому классу на оборудовании, обеспечивающем получение плат четвертого класса.

Разрабатываемое устройство должно иметь достаточно малые габариты, обладать высокой надежностью. Для конструируемой ПП выбираем 3-ий класс точности, так как он обеспечивает достаточную плотность трассировки и монтажа с учетом необходимых габаритов устройства и при этом для реализации не требует высокоточного оборудования, которое является достаточно дорогим.

5.6 Размещение конструктивных элементов на печатной плате

Размещение произведем по методике, описанной в [7].

При размещении КЭ на ПП, необходимо, что бы суммарная длина связей была минимальной; элементы, имеющие между собой наибольшее количество связей, располагались рядом; количество наиболее длинных проводников должно быть минимальным.

Для построения матрицы связей, определим количество КЭ каждого из типов, присутствующих в схеме разрабатываемого устройства:

· 12 резисторов;

· 12 конденсаторов;

· 1 кнопка;

· 4 диода;

· 4 транзистора;

· 3 микросхемы;

· 2 генератора звука;

· 1 светодиод;

· 1 катушка;

· 1 трансформатор;

· 1 ЖКИ;

· 1 батарея;

· 1 СГ;

· 1 потенциометр;

· 1 разъем;

· земля.

Для размещения КЭ на ПП составим матрицу связей, в которую включим многовыводные элементы, такие как, например, микросхемы. Элементы, имеющие малое количество выводов, такие как резисторы, конденсаторы, кнопка, диоды, светодиод, земля, катушка, генераторы звука, СГ, батарея Ї исключим. Также исключим потенциометр, так как он будет располагаться с краю ПП. ЖКИ тоже исключим, так как он будет подключен непосредственно к разъему и, соответственно, будет расположен возле него.

Ниже, в таблице, представлена матрица связей для многовыводных элементов. При составлении матрицы используем следующие обозначения:

x1 Ї DD1;

x2 Ї DD2;

x3 Ї DD3;

x4 Ї VT1;

x5 Ї VT2;

x6 Ї VT3;

x7 Ї VT4;

x8 Ї T1;

x9 Ї X1.

Таблица 5.7 Ї Матрица связей

	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7	x8	x9	с
x1	0	1	3	1	0	1	0	0	0	6
x2	1	0	2	1	1	0	0	0	0	5
x3	3	2	0	0	0	1	1	1	7	15
x4	1	1	0	0	1	0	0	1	0	4
x5	0	1	0	1	0	0	0	1	0	3
x6	1	0	1	0	0	0	0	0	0	2
x7	0	0	1	0	0	0	0	2	0	3
x8	0	0	1	1	1	0	2	0	0	5
x9	0	0	7	0	0	0	0	0	0	7

Примечание. с Ї общее количество связей элемента с остальными

Размещение элементов является одной из основных задач конструкторского проектирования РЭА, состоящего в определении оптимального пространственного расположения элементов на ПП. Задача размещения элементов предшествует задаче трассировки соединений и тесно с ней связана, поэтому данному этапу работы нужно уделять особое внимание.

Поскольку в схеме есть элементы, которые требуется разместить в определенных местах ПП, то сразу вне зависимости от количества связей, располагаем их на ПП. Это такие элементы, как, например, светодиод и потенциометр, которые должны располагаться с краю ПП.

Приступаем к размещению. Начинаем с элемента с наибольшей локальной степенью, а именно x3 (с = 15). Поместим его на место P5, в центре ПП. Дальше смотрим, с каким элементом наибольшее количество связей имеет x3. Это элемент x9, поэтому размещаем его на место Р2. Поскольку х9 не связан ни с каким элементом, кроме х3, то берем следующий элемент, с которым х3 имеет наибольшее количество связей после х9. Это элемент х1, размещаем его на место Р4. Далее выбираем элемент х2, имеющий 2 связи с х3 и 1 связь с х1. Разместим его на место Р8. Элемент х6 связан с элементами х1 и х3, поэтому разместим его на место Р1. Разместим элемент х4 на место Р7, так как он связан с х1 и х2. Размещаем х5 на место Р9, потому что он связан с х4 и х2. На Р6 поместим элемент х8, исходя из его связности с х5 и х4. И на оставшиеся место Р3 размещаем элемент х7.

Рис. 5.12 Ї Размещение элементов по матрице связей

Произведем размещение навесных компонентов на плате, таких как трансформатор и СГ.

Трансформатор Т1 наматывают на кольцевом сердечнике М3000НМ (никель-марганцевый феррит) типоразмера К16*10*4,5 (внешний диаметр*внутренний диаметр*высота). Острые ребра сердечника (при необходимости) заглаживают шкуркой и покрывают электрически и механически прочной изоляцией, в данном случае Ї лавсановой лентой.

Первой наматывают обмотку I, она содержит 420 витков провода ПЭВ-2-0,07. Намотку ведут почти виток к витку, в одну сторону, оставляя между ее началом и концом промежуток в 1…2 мм. Обмотку I покрывают слоем изоляции и поверх наматывают обмотку II Ї 8 витков провода диаметром 0,15…0,2 мм в любой изоляции Ї и обмотку III Ї 3 витка тем же проводом. Обмотки II и III должны быть распределены по сердечнику как можно более равномерно.

Изготовленный трансформатор покрывают слоем гидроизоляции: обматывают узкой полоской липкой изоляционной ленты ПВХ. На плату трансформатор крепят винтом М3 с использованием двух эластичных (не продавливающий обмоток) шайб. Способ крепления показан на рисунке ниже.[1]

Рис. 5.13 Ї Монтаж трансформатора

Счетчик СБМ 20 фиксируют в нужном месте с помощью контактных стоек, изготовленных из медной проволоки диаметром 1 мм. Их внатяг надевают на выводы счетчика и припаивают к ПП (для прочности Ї с обеих сторон). Во избежание перегрева, возможного при пайке толстой стальной проволоки, рекомендуется пользоваться хорошим флюсом.[1]

5.7 

5.7 Конструкторско-технологический расчет печатной платы

Расчет проведем по методике, описанной в [6].

Поскольку был выбран 3-ий класс точности, то пользуясь значениями допусков для этого класса точности, произведем конструкторско-технологический расчет. Значения параметров приведены в таблице ниже.

Таблица 5.8 Ї Граничные значения допусков для 3-го класса точности

Параметр	Значение
Ширина печатного проводника bГпр, мм	0,25
Расстояние между проводниками, КП и КП, проводниками и КП, проводниками и металлизированными отверстиями lГ, мм	0,25
Отношение минимального диаметра металлизированного отверстия до края КП данного отверстия Кдт, мм	0,33
Ширина пояска контактной площадки bпо, мм	0,1
Погрешность расположения отверстий относительно узла КС 0, мм	0,07
Погрешность расположения КП относительно узла КС кп, мм	0,05
Погрешность фотошаблона фф, мм	0,06
Погрешность смещение проводников относительно линий КС см, мм	0,05
Погрешность расположения КП относительно узла КС на фотошаблоне фш	0,05
Предельное отклонение диаметра монтажного и металлизированного отверстий при наличии металлизации эо, мм	(0,1ч0,15)

Анализируем устройство, запишем в таблицу и просуммируем токи потребления микросхем, ЖКИ и генератора звука. Элементы с низкими токами потребления в расчете не учитываются.

Таблица 5.9 Ї Токи потребления

Элемент	Iпот, мА
Atmega8	5
HEF4011B	50
MAX1674	35
WH1602	1,5
НСМ1201х	20

1. Определим минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепи питания.

bminI = Imax / (Jдоп · tпров), где Jдоп = 48 А/мм2

tпров = hф + hг + hх = 0,035 + 0,055 + 0,007 = 0,097 мм,

где hг = (0,05ч0,06) мм, hх = (0,005ч0,008) мм

Примечание. hф Ї толщина фольги, hг Ї толщина гальванического усиления меди, hх - толщина химической меди.

Imax = Iпот Atmega8 + Iпот HEF4011B + Iпот MAX1674 + Iпот WH1602 + Iпот НСМ1201х = 15 + 50 + +35 + 1,5 + 20 = 121,5 мА

bmin1 = 0,1215 / (48 · 0,097) = 0,03 мм

2. Определим минимальную ширину проводника с учетом допустимого падения напряжения на нем.

bminU = · Imax · lпров / (tпров · Uдоп),

где = 0,0175 Оммм2/м Ї объемное удельное сопротивление фольги для комбинированного позитивного метода изготовления, lпров = 130 мм, Uдоп = 0,05 Uп = 0,25 В, lпров Ї самый длинный проводник

bminU = 0,0175 0,1215 0,13 / (0,097 0,25) = 0,01 мм

3. Определим минимально допустимый диаметр металлизированного отверстия с учетом толщины печатной платы.

dотв Кдт hпп = 0,33 1,5 = 0,495мм = 0,5 мм

4. Определим диаметр металлизированного отверстия.

d = dвэ + dмо + r,

где dвэ Ї диаметр вывода элемента dвэ = 0,6, dмо Ї нижнее предельное отклонение от номинального диаметра металлизированного отверстия, dмо = 0,1мм; r = (0,2ч0,4) мм Ї разность между минимальным диаметром металлизированного отверстия dмо и максимальным диаметром вывода dвэ

d = 0,6 + 0,1 + 0,2 = 0,9 мм

5. Определим диаметр КП.

Dmin = Dmin1 + 1,5 • hф + 0,03,

где 0,03 Ї погрешность метода изготовления; Dmin1 = 2 • bпо + dmax + 2 • 0 + 2 • р Ї минимальный эффективный диаметр КП; р = 0,05 мм Ї погрешность расположения центра КП;

dmax = d + d + + (0,1...0,15) Ї макс. диаметр просверленного отверстия,

где d = 0,05 мм Ї допуск на диаметр отверстия

dmax = 0,9 + 0,05 + 0,1 = 1,05 мм

Dmin1 = 2 • bпо + dmax + 2 • 0 + 2 • р = 2 0,1 + 1,05 + 2 0,07 + 2 0,05 = 1,49 мм

Dmin = 1,49 + 1,5 0,035 + 0,03 = 1,57 мм

Dmax = Dmin + 0,02 = 1,59 мм

6. Определим ширину проводника.

bmin = bГ + 1,5 • hф + 0,03 = 0,25 + 1,5 0,035 + 0,03 = 0,33 мм

bmax = bmin + 0,02 = 0,35 мм

7. Определим минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой.

Smin1 = L0 - (0,5 • Dmax + р + 0,5 • bmax + см),

где L0 = 1,25 мм Ї расстояние между центрами элементов

Smin1 = 1,25 - (0,5 1,59 + 0,05 + 0,5 0,35 + 0,05) = 0,18 мм

8. Определим минимальное расстояние между двумя соседними проводниками.

Smin2 = L0 - (bmax + 2см) = 1,25 - (0,35 + 0,1) = 0,8 мм

9. Определим минимальное расстояние между двумя соседними контактными площадками.

Smin3 = 2 • L0' - (Dmax + 2 • р) = 2,5 - (1,59 + 0,1) = 1,05 мм

5.8 Электрический расчет печатной платы

Расчет проведем по методике, описанной в [8].

Целью данного расчета является определение падения напряжения на самом длинном проводнике, мощности потерь платы, величины паразитной емкости и взаимной индуктивности между параллельными проводниками.

1. Определим допустимое падение напряжения на печатном проводнике.

Uп = Imax . с . lпров / (bпр . tпр),

где с = 0,0175 Ом · мм2 / м, bпр = 0,35 мм Ї ширина печатного проводника, tпр = 0,097 мм Ї толщина печатного проводника

Uп = 0,0175 . 0,1215 . 0,13 / (0,35 · 0,097) = 0,008 В

2. Определим мощность потерь в ПП.

Рп = 2 Ср Еп2 tg,

где f = 1 Гц Ї частота, Еп = 5 В Ї напряжение питания схемы, tg = 0,002 - тангенс угла диэлектрических потерь

Ср = 0,009 . . S / hпп = 0,009 . 6 . 900 / 1,5 = 32,4 пФ, где S Ї площадь металлизации, е Ї диэлектрическая проницаемость материала ПП

Рп = 2 · 3,14 · 1 · 32,4 · 25 · 0,002 = 10,18 мкВт

3. Определим емкость двух параллельных проводников.

C = Kп • 0,5 • (ев + еп) • lпар,

где lпар Ї длина проводников, параллельных между собой и расположенных на одной стороне ПП, ев Ї диэлектрическая проницаемость для воздуха, ев = 1

C = 0,46 • 0,5 • 7 • 8 = 12,9 пФ

4. Определим взаимную индуктивность.

M = 0,02 • (lпар • lg(( + lпар) / L0) - + L0) = 0,18 мкГн

Значения паразитных параметров не превышают допустимых значений для данного типа ПП, поэтому они незначительно воздействуют на работу схемы.

6. 

6. РАСЧЕТ КОНТСРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

6.1 Тепловой расчет печатного узла

Расчет проведем по методике, описанной в [9].

Данный расчет производится с целью выяснения, нужно ли использовать радиаторы для рассеивания тепловой мощности, выделяемой на некоторых элементах схемы.

P = U • I (6.1)

Рассчитаем мощность за формулой (6.1), которая рассеивается микросхемой HEF4011B.

P = 5 • 0,05 = 0,25 Вт

Из документации на микросхему:

· максимально допустимая температура tmax: 125 єС;

· тепловое сопротивление R: 125 єС/Вт.

Рассчитаем температуру микросхемы, при температуре окружающей среды tср = 60 єС.

tп = tср + R • P = 60 + 125 • 0,25 = 91,25 єС

Данная температура является допустимой для работы микросхемы, так как tп < tmax. Следовательно использование радиатора не требуется.

Рассчитаем мощность за формулой (6.1), которая рассеивается микросхемой Atmega8.

P = 5 • 0,04 = 0,2 Вт

Из документации на микроконтроллер:

· максимально допустимая температура tmax: 125 єС;

· тепловое сопротивление R: 100 єС/Вт.

Рассчитаем температуру микросхемы, при температуре окружающей среды tср = 60 єС.

tп = tср + R • P = 60 + 100 • 0,25 = 75 єС

Данная температура является допустимой для работы микросхемы, так как tп < tmax. Следовательно, использование радиатора не требуется.

6.2 Расчет вибропрочности печатного узла

Расчет проведем по методике, описанной в [10].

Вибропрочность Ї один из важнейших параметров, касающийся электронных приборов. Большое внимание и условия вибропрочности предъявляются при проектировании бортовой и переносной аппаратуры, где возможны сбои в работе при повышенных вибрациях.

Основные критерии, влияющие на вибропрочность:

· геометрические размеры платы;

· масса РЭ и способ их размещения;

· способ закрепления печатной платы.

Целью расчета является определение действующих на элементы изделия перегрузок при вибрации.

Исходные данные для расчета:

· материал ПП СФ-2-35-1,5;

· габариты ПП a*b* = 120*90*1,5;

· коэффициент перегрузки n = 4, частота вибраций 40 Гц.

Параметры стеклотекстолита:

· временное сопротивление Т = 105 МПа;

· модуль Юнга Е = 3,21010 Па;

· коэффициент Пуассона = 0,22;

· показатель затухания = 0,06;

· удельный вес 2050 кг/м3;

· удельная плотность х =2,05104 Н/м3;

· коэффициент запаса прочности k = 2.

Рис. 6.1 Ї Вариант закрепления ПП

Определим массу печатной платы и элементов.

mп = a b =0,12 0,09 0,0015 2050 = 0,034 кг = 34 г

Рассчитаем массу элементов. При этом учтем, что масса трансформатора:

mT = m3000HM + mвинта + mгайки + mост,

где m3000HM Ї масса ферритового кольца, mвинта и mгайки Ї массы винта и гайки соответственно, mост Ї массы остальных составляющий трансформатора, таких как резиновые прокладки, проволоки и шайбы. Масса СБМ 20 Ї 10 г. Также в схеме присутствуют конденсаторы и резисторы, общий вес которых mCR? 13 г. Вес остальных элементов m1 составляет примерно 0,8 г, поскольку их 21, то m = 0,8 • 21 = 16,8 г.

mЭ = 3,1 + 0,84 + 10 + 0,35 + 0,15 + 16,8 + 13 = 44,24 г

Определим коэффициент КВ.

Определим коэффициент , считая, что печатная плата шарнирно опирается по контуру (как показано на рисунке выше).

Определим цилиндрическую жесткость D.

Определим собственную частоту колебаний печатной платы.

Практика показала, что если fc > 250 Гц, то конструкция абсолютно жесткая.

Определим амплитуду вибраций на собственной частоте.

Определим коэффициент динамичности (во сколько раз амплитуда на вынужденных колебаниях отличается от амплитуды на частоте собственных колебаний).

Определим динамический прогиб.

W = Kд А = 1,007 0,01 = 0,01 мм

Сравниваем W с толщиной платы.

Определим эквивалентную этому прогибу равномерно распределенную динамическую нагрузку.

Для данного случая закрепления

Определим максимальный распределенный изгибающий момент.

Mmax = c2 РД b2

Mmax = 0,03 226 0,092 = 0,06 H

Определим допустимое напряжение для материала печатной платы.

Проверим условие вибропрочности.

В результате проведенных расчетов установлено, что условие вибропрочности ПП при воздействии внешних колебаний обеспечивается, и прогиб не превышает 1/5 от толщины платы.

6.3 Расчет основных показателей надежности печатного узла

Расчет проведем по методике, описанной в [6].

Разработка радиоэлектронной аппаратуры и систем, которые являются надежными и эффективными Ї одна из главных целей конструирования.

Надежность Ї это свойство объекта сохранять со временем установленные значения всех параметров, которые характеризуют способность выполнять необходимые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, сохранения и транспортирования, и с возможностью возобновлять функционирование, утраченное по тем или иным причинам.

Если ЭВА отвечает всем эксплуатационным требованиям, то она считается надежной.

Основными показателями и характеристиками надежности являются:

· (t) Ї интенсивность отказов;

· Р(t) = e-t Ї вероятность безотказной работы;