Электронный измеритель-регулятор температуры
Общая характеристика и принцип действия электронного термометра, его назначение и сферы использования, разработка принципиальной схемы. Разработка термометра, обоснование выбора датчиков температуры, расчет узла схемы питания и фактической себестоимости.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.12.2009 |
| Размер файла | 710,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Допустимое значение статического потенциала 200 В.
ШИМ-компаратор широтно-импульсной модуляции
ГПН-генератор пилообразного напряжения
КП-компаратор паузы
ОУ1, ОУ2-операционные усилители
ЛЭ1-ЛЭ5-логические элементы
ТФ-триггер-фазорасщепитель
VT1, VT2-транзисторы
VD1, VD2-диоды
НСН-непрерывный стабилизатор напряжения (источник опорного
напряжения)
G-источник смещения компаратора
Назначение выводов
1-неинвертирующий вход операционного усилителя
2-инвертирующий вход операционного усилителя
3-выход усилителей
4 - установка паузы
5 - вход для подключения конденсатора задания частоты
6 - вход для подключения резистора задания частоты
7 - общий
8 - коллектор VТ1
9 - эмиттер VТ1
10 - эмиттер VT2
11 - коллектор VT2
12-12В
13-блокировка двухтактного выхода
Схема включения
14-выход источника опорного напряжения
15- инвертирующий вход операционного усилителя
16 - неинвертирующий вход операционного усилителя
VD1-VD3 - разделительные диоды типа КД209А
R1-резистор задания частоты 3-100 кОм
R2 - ограничитель питания фазорасщепителя 0-510 Ом
R3 - резистор задания паузы 3-100 кОм
R4 - резистор смещения компаратора паузы 0-3 кОм
R5, R7 - резисторы нагрузки микросхемы 51 Ом-10 кОм
R6 - резистор ограничения сигнала дистанционного выключения
1-10 кОм
R8, R9, R10, R11 - резисторы задания напряжений на входах усилителей 3-30 кОм
R11 - резистор местной обратной связи 10 кОм-1 мОм
С1 - фильтр питания микросхемы 0,1-10 мкФ
С2 - конденсатор задания частоты 1-33 нФ
СЗ - конденсатор задания длительности «мягкого» запуска 0,1-10мкФ
С4 - конденсатор коррекции частотной характеристики
С5 - фильтр выходного напряжения 0-1 мкФ
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
(при температуре 25 °С)
Напряжение питания, В ………………………………………………….12±5%
Ток потребления, мА, не более ……………………………………..20
Ток закрытой микросхемы, мкА, не более.…………………………..100
Остаточное напряжение, В, не более……………………………………1,3
Опорное напряжение, В ……………………………………………от 4,5 до 5,5
Длительность фронта импульса выходного тока, не, не более …..100
Длительность среза импульса выходного тока, не,
не более …………………………………..200
Температурный коэффициент опорного напряжения,
% /°С, не более ……….…………………………. 0,03
Нестабильность по напряжению источника опорного
напряжения, %, не более ………………………………. 0,05
Нестабильность по току источника опорного напряжения,
%, не более …………………………………1
ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И
РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Напряжение питания, В:
Максимальное ………………………………….40
минимальное …………………………………..7
Максимальный выходной ток, мА …………………………………200
Максимальный выходной ток источника опорного
напряжения, мА ………………………………. 10
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт:
при температуре от минус 10 до +25 °С.…….…………………….1
при температуре 70 °С …………………………………. 0,5
Максимальная частота коммутации, кГц …………………….…..200
2.4 Работа принципиальной схемы ЭИРТ
Описание принципиальной схемы электронного термометра схемы начнём со схемы питания. При её разработке можно было остановиться на наиболее простой и надёжной схеме на базе понижающего трансформатора, но на основе расчётов по потребляемой мощности, которая составляет 4Вт и используя данные из [3] следует, что трансформатор для этой мощности имеет большие линейные размеры и массу, противоречит одному из пунктов технического задания-минимальным массо-габаритным показателям. Ещё одним условием является наличии гальванической развязки между сетью и элементами схемы. Поэтому применён трансформатор, конструктивно представляющий собой ферритовое кольцо небольшого диаметра с намотанным на него медным проводом (марка феррита 2000НМ). В случае необходимости увеличения потребляемой мощности можно параллельно конденсатору С1 включить ещё один конденсатор необходимой ёмкости.
Основными элементами схемы питания является генератор тактовых импульсов, выполненный на базе микросхемы К1114ЕУ4 и трансформатор. Для того чтобы не делать сложной схему и не использовать высоковольтные транзисторы в данном устройстве используется метод гашения избыточного переменного напряжения балансным конденсатором C1 с последующим выпрямлением диодным мостом VD1 и стабилизацией напряжения стабилитроном VD2. Г-образные цепочки L1C2 и L2C3 выполняют роль сетевого фильтра, т.е. предотвращают попадание высокочастотных помех от импульсного преобразователя в сеть. Резистор R1 уменьшает бросок тока зарядки конденсаторов в момент включения прибора в сеть. Резистор R2 служит для разрядки конденсатора C1 после выключения устройства из сети. К выводам 5,6 микросхемы DD1 подключены частото-задающие элементы R3 и C4. Их номиналы подобраны таким образом, что частота коммутации составляет 60 кГц. Подачей напряжения 5В на вывод 13 микросхемы от опорного стабилизатора задаётся её режим, а подачей низкого уровня на неинвертирующие входы (выводы 1,16) и подачей напряжения 5В от внутреннего стабилизатора на инвертирующие входы операционного усилителя (выводы 2,15) отключается схема регулировки напряжения и защиты от перегрузки DD1. После этого сформированный внутри микросхемы сигнал подаётся на мощные ключевые транзисторы, которыми управляются выходные каскады преобразователя, выполненные на кремниевых транзисторах К814Г, в коллекторную нагрузку которых включён трансформатор Т1. Конденсаторы С6, С7 устраняют нежелательные выбросы напряжения. Подачей на вход 4 микросхемы положительного напряжения 0,7В, снимаемого с включенного в прямом направлении диода VD6 задаётся пауза. Она необходима для того, чтобы устранить сквозные токи, которые возникают вследствии недостаточного быстродейсвия биполярных транзисторов, когда один транзистор ещё не успел закрыться, а второй уже открылся. Конденсатор С5 сглаживает пульсации. Напряжение 12В и 5В, необходимые для питания схемы термометра, снимаются со вторичной обмотки трансформатора Т1 и выпрямляются диодными мостами VD4и VD5, выполненными на диодах марки КД510 и сглаживаются фильтрами низких частот C10L4C12 и C11L5C13 соответственно.
Схема ЭИРТ фактически состоит из 2 основных составляющих: датчика, непосредственно схемы термометра.
Сигнал с выхода датчика (микросхемы К1019ЕМ1) через замкнутые контакты SA1 поступает на вывод 31 микросхемы DD2 КР572ПВ2А. На неё же с движков переменных резисторов R20, R16 поступает напряжение +3,732В и +2,732В соответственно, т.е. разность патенциалов между 36 и 35 выводами равна 1В. К 38 и 39 подключена частото-задающая цепь R25C24. Цепочка из резистора R24 и конденсаторов С20, С22, С23 обеспечивают режим работы микросхемы. Резисторы R15-R21 и стабилизатор DA5 КР142ЕН8А представляют собой формирователь опорных сигналов. Помимо напряжений +3,732В и +2,732В с него снимается напряжение 2,732+0,382=3,114В соответствующее температуре установки 38,1С. Это напряжение подаётся на пороговое устройство, которое предназначено для отключения нагревательных элементов при достижении температуры выше температуры установки и представляет собой прецезионный операционный усилитель DA3 К140УД17 и компаратор DA4 К554СА3. Резисторы R13, R14 и диод VD6 задают величину гестерезиса (разницу между порогом включения и выключения) при переключении DA3. Прецезионный операционный усилитель применён из-за необходимости с точностью до десятых долей градуса поддерживать температуру установки. Напряжение +3,114В поступает на неинвертирующий вход DA3, а на инвертирующий поступает сигнал с сухого датчика и в результате происходит сравнение напряжения с датчика с установочным и если оно превышает его, то срабатывает компаратор, который включает реле, которое в свою очередь отключает нагревательные элементы. Об этом сигнализирует светодиод, который загорается в этот момент. Резистор R28 ограничивает ток через него. Диод VD7 предназначен для устранения выброса напряжения реле. Переключатель SA2 нужен для установки температуры переключения, т.е. при замыкании контактов в одном положении индикаторы показывают измеряемую температуру, а при другом будет отображать установку температуры переключения, которая может быть изменена с помощью переменного резистора R15. Переключатель SA1 необходим для снятия сигнала в одном положении с сухого датчика, в другом - с влажного. Для отображения температуры установки применён четырёхразрядный светодиодный цифровой индикатор. Ток через резистор R27 формирует запятую на одном из них. Индикатор HG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры - «еденицу». Через горизонтальный элемент индикатора течёт ток (определяемый резистором R26, из-за чего элемент постоянно высвечивает знак «минус» Резисторы R9, R10 предназначены для калибровки датчиков влажного и сухого соответственно, а резисторы R11, R12 задают рабочий ток через них.
2.5 Расчёт узла схемы питания
Причиной выбора мной бестрансформаторного блока питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением послужила возможность избежать трудоемкого изготовления малогабаритного сетевого трансформатора, если нет готового, подходящего по параметрам.
Встречающиеся в технической литературе методики расчета БТБП, как правило, излишне сложны и трудоемки.
БТБП - это, по существу, параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль токоограничительного резистора выполняет гасящий конденсатор.
Рис. 2.6.
Упрощенная схема БТБП приведена на рис. 2.6. Диодный мост VD1 подключён к сети не непосредственно, а через гасящий конденсатор Сгас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. В другую диагональ моста включена нагрузка Rн. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор Сф и стабилитрон VD2.
Расчет блока питания начинают с задания напряжения на нагрузке (Uн) и потребляемого тока (IН). Чем больше будет емкость конденсатора Сгас, тем, естественно, выше энергетические возможности БТБП, и наоборот.
В таблице 2. 1. приведены данные по емкостному сопротивлению (Хс) конденсатора Сгас на частоте 50 Гц и эффективному значению тока Iэфф, текущего через конденсатор Сгас, вычисленные для случая, когда Rн=0, то есть при коротком замыкании нагрузки.
Кстати, этот аномальный режим для БТБП безвреден. Мы видим, что при Сгас=0,1 мкФ эффективный ток Iэфф, не превышает 7 мА, а при Сгас=1мкФ - 70 мА (при напряжении сети 220 В). Эти данные можно вычислить пользуясь формулами:
Хс=10/(р* Сгас)=3,183/ Сгас (2.1.)
Iэфф=220/ Xc=220* р*(Сгас/10)=69,11* Сгас (2.2.)
где Хс - в килоомах,
Сгас - в микофарадах,
Iэфф - в милиамперах
Таблица 2.1. Ёмкостное сопротивление конденсатора на частоте 50 Гц
|
Rн=0 |
Rн>0 |
|||
|
Сгас, мкф |
Хс, кОм |
Iэфф, мА |
Iср, мА |
|
|
0,1 |
31,83 |
6,9 |
6,2 |
|
|
0,15 |
21,22 |
10,4 |
9,3 |
|
|
0,2 |
15,19 |
13,8 |
12,4 |
|
|
0,25 |
12,73 |
17,3 |
15,5 |
|
|
0,3 |
10,61 |
20,7 |
16,7 |
|
|
0,6 |
6,36 |
34,6 |
31,1 |
|
|
0,75 |
4,24 |
51,3 |
46,6 |
|
|
1,0 |
3,18 |
69,1 |
82,2 |
|
|
2,0 |
1,69 |
136,2 |
124,4 |
|
|
2,5 |
1,27 |
172,8 |
156,6 |
|
|
3,0 |
1 |
207,3 |
186,6 |
|
|
5,0 |
0,63 |
345,4 |
311,1 |
|
|
10,0 |
0,32 |
691,8 |
622,2 |
При Rн>0 в работу вступает фильтрующий конденсатор Сф, поэтому вместо эффективного значения тока следует брать средневыпрямленный (пульсирующий) ток, равный
Iср = 220 * [(2v2р)/р*Xс] = 62,22* Сгас (2.3.)
причем Iср=0,9 Iэфф, поскольку 2v2/р =0,9. Данные по средневыпрямленному току Iср также приведены в таблице 2.1.
Таким образом, если, например Iн=50 мА, емкость гасящего конденсатора должна быть не менее 1 мкФ (с некоторым запасом на ток стабилизации), что соответствует емкостному сопротивлению Хс=3,183 кОм и среднему току Iср=62,2 мА.
Таблица 2.2. Зависимость Uн и Iн от нагрузки Rн
|
Сгас=1мкФ, Uст=12 В |
||||
|
Rн, кОм |
Uн, В |
Iн, мА |
Рн, мВт |
|
|
0,01 |
0,6 |
62,2 |
39 |
|
|
0,025 |
1,6 |
62,2 |
97 |
|
|
0,05 |
3,1 |
62,2 |
193 |
|
|
0,076 |
4,7 |
62,2 |
290 |
|
|
0,1 |
6,2 |
62,2 |
386 |
|
|
0,2 |
12,4 |
62,1 |
770 |
|
|
0,3 |
18,6 |
61,9 |
1148 |
|
|
0,4 |
24,7 |
61,7 |
1524 |
|
|
0,5 |
30,7 |
61,4 |
1885 |
|
|
0,6 |
36,7 |
61,1 |
2242 |
|
|
0,7 |
42,5 |
60,8 |
2584 |
|
|
0,8 |
48,3 |
60,3 |
2912 |
|
|
0,9 |
53,9 |
59,9 |
3229 |
|
|
1 |
59,3 |
59,3 |
3518 |
Если мысленно исключить стабилитрон VD2, то Uн и Iн будут зависеть от нагрузки Rн (таблица 2.2). Подсчитать эти параметры легко по формулам:
Iн = 0,9 * 220 * (vRн + 10,132/Cгас^2) (2.4.)
Uн=Iн * Rн (2.5.)
где Iн - в миллиамперах,
Rн - в килоомах,
Сгас - в микрофарадах,
Uн - в вольтах.
(далее в формулах используются те же единицы измерения).
Как видно из таблицы 2.2, с уменьшением сопротивления нагрузки напряжение на ней тоже уменьшается, причем нелинейно. А вот ток через нагрузку, напротив, возрастает (правда, весьма незначительно). Так, например при уменьшении Rн с 1 до 0,1 кОм (в 10 раз) Uн снижается в 9,5 раза, а Iн увеличивается всего лишь в 1,05 раза (на 5%). Это как бы автоматическая стабилизация тока выгодно отличает БТБП от обычных (трансформаторных) источников питания. Мощность на нагрузке
Pн = 39204*Rн / (Rн^3 + 10,132 / Cгас^2 (2.6.)
С уменьшением Rн эта мощность снижается примерно так же, как и Uн. Для предыдущего примера Рн уменьшается в 9,1 раза (с 3516 до 38 мВт).
Поскольку Iн при сравнительно небольших значениях Uн и Rн меняется крайне мало, на практике вполне допустимо пользоваться приближенными формулами:
Iн = 2v2 * 220 / р Хс = 62,22 * Сгас, (2.7.)
Uн = 62,22 * Rн * Cгас, (2.8.)
Рн = Uн * Iн = 3872 * Rн * Сгас^2, (2.9.)
Восстановив временно исключенный стабилитрон VD2, получаем стабилизацию напряжения Uн на уровне Uст. Если Uст =12 В, то при достаточно большом Rн выполняется равенство Uн = Uст.
Rн можно уменьшать пока выполняется неравенство:
Rн = Uст * Хс / v(39204 - Uст^2) (2.10.)
Теперь определим, какой ток Iн течет через нагрузку, а какой
Iст - через стабилитрон VD2. Очевидно, что
Iст = Iср - Iн
Значения Iст и Iн для разных Rн приведены в Таблице 2.3.
Таблица 2.3. Значения Iн и Iст для разных Rн.
|
Сгас = 1мкФ, Iср = 1мА, Рср = 745,2 |
||||
|
Rн, кОм |
Iн, мА |
Iст, мА |
Рн, мВт |
|
|
0,2 |
60 |
2,1 |
720 |
|
|
0,3 |
40 |
22,1 |
480 |
|
|
0,4 |
30 |
32,1 |
360 |
|
|
0,5 |
24 |
38,1 |
288 |
|
|
0,6 |
20 |
42,1 |
240 |
|
|
0,7 |
17,1 |
45 |
206 |
|
|
0,8 |
15 |
47,1 |
180 |
|
|
0,9 |
13,3 |
18,8 |
160 |
|
|
1 |
12 |
50,1 |
144 |
Для конкретного напряжения стабилизации Uст, средний ток Iср в цепи остается неизменным (в зоне стабилизации) и практически не зависит от сопротивления Rн. По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность возрастает.
Рн = Iн * Uн = Uст^2 / Rн
А вот средняя мощность, потребляемая БТБП
Рср = 198 * Uст / Хс (2.11.)
остается неизменной (при данном Uст). Объясняется это тем, что ток Iср разветвляется на два (Iн и Iст) и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между Rн и стабилитроном VD2. Чем меньше Rн, тем меньший ток идет через стабилитрон, и наоборот. Вот почему снимать нагрузку с БТБП не рекомендуется, иначе весь ток пойдет через стабилитрон.
До сих пор речь шла о средневыпрямленном токе Iср. Но в осветительной сети течет переменный ток, а через Rн и VD2 (если бы не было конденсатора Сф) - однополярный пульсирующий. Следовательно, стабилитрон VD2 должен выдерживать (при Rн = ?) этот импульсный ток.
Не следует забывать и о возможных бросках напряжения в сети, составляющих 20…25%. Поэтому при Сгас=1 мкФ и Uст =12 В стабилитрон VD2 должен выдерживать (без нагрузки) не менее 120…125 мА. Если нагрузка подключена постоянно, значение этого тока может быть снижено до
Iст имп = (1,25 * 311 / Хс) - (Uст / Rн) (2.12.)
Например при Rн =0,3 кОм и Сгас= 1 мкФ, Uст =12 В наибольший ток через стабилитрон составляет 82мА.
Итак, приводим расчет БТБП. Пусть, Uн =18 В, Rн =0,4 кОм, что соответствует Iн =45 мА. Из Таблица 2.3.1. следует, что наиболее подходящим является конденсатор Сгас емкостью 1 мкФ, поскольку его средний ток (62,2 мА) при низкоомной нагрузке превышает необходимый).
Проверим, до какой величины может снизиться напряжение Uэф сети, чтобы через стабилитрон протекал ток Iст
Uэф = (3,53 / Сгас) * (Ucт / Rн + Iст мин) = 169,44 В
что соответствует снижению сетевого напряжения на 22%. Следовательно,
Хс = 10 / р * Сгас = 3,18 (кОм)
Для БТБП подходят пара стабилитронов Д814Б, максимальный ток стабилизации которых составляет 24 мА, а напряжение стабилизации - около 18 В.
При напряжении сети 220 В номинальное напряжение конденсатора Сгас должно быть не менее 400 В, то есть примерно с 30% запасом по отношению к амплитудному сетевому, то есть
v2 * U дейст = 311 В,
311 В + 30% = 404 В
Подбирая конденсатор Сгас, следует учитывать, что номинальное напряжение конденсатора данного типа не всегда совпадает с допустимым для него переменным напряжением. Так, например, наиболее распространенные металлобумажные малогабаритные конденсаторы типа МБМ на номинальное напряжение 500 В могут работать только в цепях, где амплитуда переменного напряжения не превышает 150 В. Амплитуда же сетевого напряжения 220 В, как уже сказано выше, достигает 311В, что более чем вдвое превышает допустимое для них значение. Иначе говоря, применять в БТБП конденсаторы типа БМ, МБМ, МБГО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 нельзя.
Наиболее надежно в БТБП работают конденсаторы МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номинальное напряжение 500 В (от старых стиральных машин, люминесцентных светильников и т.п.) или КБГ-МН, КБГ-МП, но на номинальное напряжение 1000 В.
Точно рассчитать емкость фильтрующего конденсатора Сф аналитическим путем затруднительно. Поэтому ее подбирают экспериментально. Ориентировочно следует считать, что на каждый 1 миллиампер среднего потребляемого тока требуется как минимум 3…10 микрофарад этой емкости, если выпрямитель БТБП двухполупериодный. Номинальное напряжение используемого оксидного конденсатора Сф должно быть не менее Uст.
БТБП желательно дополнить еще двумя вспомогательными резисторами. Один из них, сопротивление которого составляет 300 кОм…1 МОм, включают параллельно конденсатору Сгас. Этот резистор нужен для разряда данного конденсатора после отключения устройства от сети. Второй (балластный) резистор сопротивлением 10…51 Ом включают в разрыв одного из сетевых проводов, например последовательно с конденсатором Сгас. Он ограничивает ток через диоды моста в момент подключения БТБП к сети, когда начальный ток заряда конденсатора Сф весьма велик. Мощность рассеяния обоих резисторов должна быть не менее 1 Вт, что гарантирует от возможных поверхностных пробоев этих резисторов высоким напряжением.
Из-за балластного резистора средняя мощность, потребляемая от сети, несколько увеличивается, так как добавляются потери на нагрев дополнительного резистора (конденсатор Сгас практически не нагревается).
Несмотря на то что средний ток в цепи остается практически тем же или становится чуть меньше, потребляемая мощность существенно возрастает. При Сгас=1 мкФ, Uст=18 В, R.н=0,2 кОм и Rбал= 51 Ом средний потребляемый ток останется приблизительно тем же (55 мА), что и без балластного резистора. Однако мощность, рассеиваемая на балластном резисторе составляет (понадобится резистор МЛТ-1).
Рбал = Uбал^2 / Rбал = 5,6 ^2 / 100 = 313,6 (мВт)
Растет и средняя потребляемая мощность
Рср = (198 * Uст / Хс) + Рбал = (198 * 18 / 3,183) + 313,6 = 1433,3 (мВт)
что соответствует росту мощности на 36% (относительно 2230 мВт).
За счет Rбал стабилитрон нагружен несколько меньше. Немного снижается и максимальный импульсный ток через него, но вот средняя потребляемая мощность, как уже показано выше, заметно увеличивается.
В БТБП можно использовать диодные мосты КЦ405 или КЦ402 с буквенными индексами Ж или И, если средний ток не превышает 600 мА, либо с индексами А, Б, если значение тока достигает 1 А. Пригодны также четыре диода, включенные по схеме моста, например серий КД105Б (В, Г), Д226Б (В), рассчитанные на ток до 300 мА; серий КД209А (Б, В) - на ток до 500 или 700 мА; КД226В (Г, Д) - на ток до 1,7 А.
3. Разработка конструкции электронного термометра
3.1 Описание общей конструкции электронного термометра
Конструктивно термометр выполнен в металлическом корпусе, состоящем из основания и крышки. Все элементы термометра размещены на двух печатных платах, установленных на промежуточной рамке. Расстояние между платами определяется высотой электрорадиоэлементов. Для подключению к термометру термодатчиков и элементов внешней схемы применяется колодка с контактами-зажимами винтового типа. На верхней, лицевой части прибора находится светодиодный индикатор температуры, светодиод, сигнализирующий срабатывание реле и кнопка переключения показаний «сухого» и «влажного» датчика.
3.2 Разработка печатной платы
К печатной плате предъявляют требования:
- по внешнему виду;
- электрическим параметрам;
- устойчивости при технологических, климатических и механических воздействиях;
- надежности. Особенно важным является требования к надёжности.
1) По внешнему виду проводящий рисунок должен быть чётким, без рваных краёв, вздутий, отслоений, разрывов, протравок, тёмных пятен, загрязнений и окислов. На поверхности проводящего рисунка не должно быть технологических повреждений и посторонних включений. Сквозные отверстия должны быть чистыми и свободными от включения любого рода. Расстояния между элементами проводящего рисунка и краем платы не должно быть менее 0,3 мм. Металлическое покрытие на элементах проводящего рисунка должно иметь гладкую глянцевую поверхность. Покрытие должно быть сплошным, без трещин, пор, крупнозернистости.
Требования электрических параметров печатного монтажа должны обеспечивать правильность монтажных соединений (соответствие цепей технической документации, целостность электрических соединений, отсутствие коротких замыканий).
Требования к устойчивости при технологических, климатических и механических воздействиях. Контактные площадки должны обладать паяемостью и способностью равномерно смачиваться припоем при воздействии его на плату в течение 3 с. Печатная плата должна быть устойчива к перепайке, и выдерживать не менее двух циклов перепаек на контактных площадках. Прочность сцепления печатных проводников и контактных площадок с основанием должна обеспечиваться соответствием материала требованиям ТУ и стандартов на фольгинированые диэлектрики.
Печатная плата должна соответствовать требованиям ТУ в процессе и после воздействия на них климатических факторов.
Требования к надёжности. Печатная плата должна сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах нормы, а также соответствовать техническим условиям на изделие в рабочем режиме в течение гарантированного срока службы. Надёжность печатных схем влияет на надёжность РЭА. Она проверяется в составе РЭА и определяется минимальным значением вероятностью безотказной работы. Отказом считается полная или частичная утрата работоспособности печатной платы, нарушение печатного монтажа или отклонение любого параметра печатной платы от нормы.
Основными наиболее часто употребляемыми материалами печатных
плат являются гетинакс и стеклотекстолит. Проведём сравнительный анализ этих материалов.
Гетинакс значительно дешевле стеклотекстолита. Гетинакс также легче обрабатывается, что способствует повышению технологичности платы.
По электроизоляционным свойствам гетинакс уступает стеклотекстолиту. Тангенс угла диэлектрических потерь у гетинакса 0.06, у стеклотекстолита 0.03. Гетинакс также уступает и по механической прочности и жесткости, что приводит к увеличению требуемой толщины платы. Гетинакс более подвержен воздействиям химических реактивов при химическом методе изготовления печатной платы. Это еще больше ухудшает его диэлектрические свойства
Прочность сцепления проводящего покрытия с гетинаксовом основанием невысокая и резко падает при повышении температуры. Это затрудняет производство плат высоких классов точности на гетинаксовом основании, а также практически исключает возможность замены элементов из-за отслаивания контактных площадок. При изготовлении двухсторонних печатных плат на гетинаксовом основании, практически невозможно выполнить качественную металлизацию отверстий.
Рассмотренные недостатки делают гетинакс практически непригодным для изготовления печатной платы ЭИРТ. Поэтому выбираем в качестве материала печатной платы стеклотекстолит марки СФ-2Н-50 ТУ16.503.27-86.
Таблица 3.1. Таблица основных характеристик гетинакса и стеклотекстолита
|
Материал |
Плотность |
|
Рабочая температура С |
Удельное сопротивление |
|
|
Гетинакс ГФ1-50 ГОСТ 10316-78 |
1,4 |
78 |
-60 +105 |
|
|
|
Стеклотекстолит СФ-2Н-50 ТУ16.503.27-86 |
1,5 |
294 |
-60 +105 |
|
Для данного изделия достаточно использовать одностороннюю печатную плату.
2) Метод изготовления П.П. существенно влияет на схемо-конструкторские и эксплутационно-экономические параметры. Для получения проводящего рисунка П.П. выбираем химический метод производства печатных плат из фольгинированых диэлектриков. Достоинствам химического метода являются: доступность механизации и автоматизации, возможность получения высокого качества печатных плат, которые обладают высокой агдезией печатных проводников к диэлектрическому основанию.
Способ формирования изображения рисунка печатной платы - фотографический, достигается с помощью фотошаблонов методом контактной печати.
При химическом методе, основанном на травлении фольгинированого диэлектрика, отверстия не металлизируются. Этот метод простой и обеспечивает высокую разрешающую способность и плотность монтажа.
В избежания отслаивания контактных площадок при действии механических нагрузках при химическом методе изготовления все элементы должны быть установлены вплотную к плате без зазора.
3) Конфигурация и габаритные размеры П.П. будут зависеть от габаритных размеров разрабатываемого изделия, электрической схемы, применяемых навесных элементов, эксплутационных требований, предъявляемых к изделию, технико-экономических показателей. Форма печатной платы - прямоугольная.
Навесные элементы будут размещены с учётом электрических и паразитных связей между навесными элементами; необходимо также равномерно распределить массу навесных элементов по поверхности платы. Для удобства монтажа однотипные ЭРЭ будем размещать группами.
Установочные размеры и варианты установки навесных элементов будут выбираться в соответствии с действующими стандартами на установку навесных элементов.
Проведём трассировку соединений между собой контактов каждого из элементов. При трассировке учитываются следующие параметры: суммарная длина соединений (длинна соединений между элементами, должна быть минимальной), число узлов в соединениях, взаимные наводки трасс различных цепей. Трассировка соединений после компоновки элементов должна выполняться так, чтобы обеспечивались заданные электрические параметры изделия.
Наряду с обеспечением заданных электрических параметров изделия трассировка обеспечивает проведение наибольшего числа соединений при ограниченных размерах монтажного пространства.
Проводящий рисунок печатной платы, разработанный в результате трассировки соединений, будет удовлетворять следующим требованиям: соответствовать принципиальной электрической схемы, всем конструктивным, технологическим и электрическим требованиям; обеспечивать нормальную работу схемы при соответствующих условиях эксплуатации и удобства сборочно-монтажных и регулировочных работ.
Печатная плата по плотности проводящего рисунка будет относится ко второму классу. Зависимость расстояния между проводниками и размерами элементов проводящего рисунка приведена в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Размеры элементов проводящего рисунка, мм
|
Параметры |
Класс |
|
|
2 |
||
|
Ширина проводника |
0,25 |
|
|
Расстояние: |
||
|
между проводниками, контактными площадками, |
||
|
проводником и площадкой |
0,25 |
|
|
от края просверленного отверстия до края контакт- |
||
|
ной площадки данного отверстия |
0,035 |
4) Центры всех отверстий на печатной плате, располагаются в узлах координатной сетки. Центры отверстий, предназначенных под выводы многовыводных навесных элементов (микросхемы, реле и т.д., которые из-за конструктивных особенностей элемента не попадают в узлы координатной сетки), располагаются в соответствии с размерами, указанными в нормативной документации на эти элементы. Центр отверстия, принятого за основное, будет по возможности располагаться в узле сетки, остальные отверстия для этого элемента по возможности будут расположены на вертикальных или горизонтальных линиях координатной сетки.
Номинальное значение диаметров монтажных отверстий:
а) для микросхем
dэ=0,5 мм d=0,9 мм
б) для резисторов
dэ=0,5 мм d=0,9 мм
в) для диодов
dэ=0,5 мм d=0,9 мм
г) для транзисторов
dэ=0,5 мм d=0,9 мм
д) для конденсаторов
dэ=0,5 мм d=0,9 мм
е) для реле
dэ=1,5 мм d=2,1 мм
Значения диаметров сводятся к предпочтительному ряду размеров монтажных отверстий:
0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5; 2,1 мм.
Отверстия под выводы навесных элементов со стороны фольги должны иметь контактные площадки. Размеры контактных площадок будут выбираться с учётом механических нагрузок и массы устанавливаемых элементов. Площадь оставшейся части контактной площадки, за вычетом площади отверстия, должна составлять не менее 1,0 мм2 для печатных плат 2го класса плотности.
5) Выбор типа элемента проводится с учётом номиналов, указанных в схеме. Важнейшим условием устойчивой работы электронной схемы является использование проверенных и абсолютно исправных комплектующих, а также технологически правильный монтаж на печатной плате. При установке и креплении навесных элементов на печатную плату следует учитывать следующие требования: работоспособность элементов в заданных условиях эксплуатации изделия, рациональную компоновку полупроводниковых приборов и микросхем по тепловому режиму (удаление этих элементов от источников, выделяющих большое количества тепла); влияние магнитных полей на элементы, критичные к магнитным полям; ремонтопригодность печатного узла (доступность подборочных и регулировочных элементов схемы при ремонте и регулировке параметров, при настройке); защиту монтажа, расположенного вблизи схемных элементов от механических повреждений; возможность доступа к элементам (особенно к микросхемам) для замены; возможность технологических процессов ручной или механизированной установки элементов.
Для каждого вывода устанавливаемого элемента предусмотрено отдельное монтажное отверстие. Элементы с выводами, сечения которых квадратные или прямоугольные, устанавливаются в круглые отверстия.
При установке навесных элементов на П.П. необходимо учитывать расстояние между корпусами элемента и краем печатной платы, которое должно быть не менее 1 мм, а между корпусом выводами элемента и краем печатной платы - не менее 2 мм. Расстояние между корпусом соседнего элемента или между корпусом и выводами соседних элементов, которые выбирают с учётом условий теплоотвода и допустимой разности потенциалов между ними. Это расстояние не должно быть менее 0,5 мм.
При монтаже и пайке элементов, проводников и кабелей следует избегать длительного прогревания паяльником, так как это приводит к невосстановимым изменениям параметров, плавлению изоляции, смещению внутренних жил проводников и др. При пайке должен использоваться только низковольтный маломощный паяльник с тонким жалом и регулируемой температурой нагрева.
В качестве припоя с низкой температурой плавления, используется ПОС-61. В качестве флюсов можно применять спиртовой раствор канифоли. После пайки остатки флюса должны быть смыты спирто-бензиновой смесью с соблюдением всех мер предосторожности при работе с легковоспламеняющимися жидкостями.
Надёжную и долговременную работу электронного ЭИРТ, можно обеспечить только при правильном и точном выполнении требований по установке, монтажу и пайке микросхем. ИМС на плате располагают линейно и пряморядно, при этом штырьковые выводы должны совпадать с узлами координатной сетки. Микросхемы устанавливаются с зазором или прокладкой, чтобы обеспечить изоляцию корпуса от печатных проводников, размещённых на основании П.П. Изоляционные прокладки предварительно приклеивают к поверхности платы. ИМС необходимо установить на печатной плате на значительном расстоянии от тепловыделяющих элементов схемы, на них не должны действовать внешние электромагнитные поля от трансформаторов, дросселей и постоянных магнитов. Между корпусом каждой микросхемы и печатной платы должен быть выдержан зазор не менее 1,5 мм.
Перед установкой микросхемы на плату необходимо произвести формовку и обжатие выводов с помощью специального монтажного инструмента так, чтобы исключалась механическая нагрузка на места крепления выводов. Выводы микросхемы изгибаются радиусом, равным двойному диаметру этого вывода. После формовки и обрезки выводов ИМС их длина должна быть не менее 5,5 мм при толщине печатной платы 1,5 мм.
Для установки и монтажа ИМС будем придерживаться следующих правил:
по возможности воздерживаться от кислотных флюсов, лучше применять канифоль или бескислотные флюсы с обязательной промывкой места пайки спиртом;
не пользоваться высокотемпературными припоями;
необходимо использовать металлический теплоотвод, который прикладывается к каждой ножке ИМС, припаиваемой к печатной плате (в качестве теплоотвода удобно применять пинцет);
время нагрева отдельных выводов ИМС при пайке не должно превышать 1…2с;
места на печатной плате перед установкой ИМС должны быть тщательно подготовлены; с них должны быть удалены всевозможные посторонние частицы, следы грязи и ржавчины;
демонтаж ИМС допускается производить не более двух раз;
при распайки выводов ИМС температура жала паяльника должна быть не более 280єС;
минимальное расстояние от корпуса микросхемы до границы припоя по длине вывода-1…1,5 мм;
интервал времени между пайками соседних выводов не менее 3с;
мощность паяльника не должна превышать 25 Вт;
жало паяльника должно быть заземлено, при этом переходное сопротивление в месте контакта заземления не должно превышать 0,1 Ом;
корпус ИМС и изоляторы выводов необходимо оберегать от брызг и паров флюса;
После монтажа места пайки необходимо очистить от остатков флюса моющей жидкостью, не оказывающей вредного влияния на корпус и выводы ИМС.
Sуст.=1,25ВН х NDD, (3.1.)
где В-ширина МС, а Н - длина МС, NDD - количество МС. Ширина и длина корпуса одной микросхемы 7х22 мм. Подставим эти данные в формулу (3.1.) и получаем:
Sуст.=1,25 х 0,7 х 2,2 х 4=7,7 см2
С учётом коэффициента использования площади печатной платы (2…3) установочная площадь равна 15,4…23,1 см2.
Сборочный чертёж печатной платы изображён на листе № графической части дипломного проекта.
3.3 Расчёт себестоимости электронного термометра
Себестоимость изделия складывается из затрат, связанных с использованием в процессе производства изделия сырья, материалов трудовых ресурсов, а также других затрат на производство и реализацию.
В соответствии с этим себестоимость продукции включает следующие затраты и расходы:
§ затраты, непосредственно связанные с производством продукции, обусловленные технологией и организацией производства;
§ расходы по обслуживанию производства: обеспечение сырьём, материалами, энергией, инструментом и другими средствами и предметами труда.
Планирование, учёт и калькуляция себестоимости осуществляют по следующим статьям расходов:
- сырьё и материалы;
- полуфабрикаты и услуги производственного характера;
- основная заработная плата производственных рабочих;
- износ инструментов;
- расходы на обслуживание производства;
- потери от брака;
- прочие производственные расходы;
- внутри производственные расходы;
- полная себестоимость.
В статью «Сырьё и материалы» включает затраты на материалы, входящие в состав продукции и составляющие её основу.
В статью «Основная заработная плата производственных рабочих» включается основная заработная плата как производственных рабочих, так и инженерно-технических и других категорий работников за работу, непосредственно связанную с изготовлением продукции. Расчёт норм времени и основной заработной платы приведён в таблице 3.3.
Таблица 3.3. Расчёт норм времени и основной заработной платы
|
Производственная Операция |
Норма времени, часы |
Часовая тарифная ставка, руб. |
Тарифная заработная плата, руб. |
|
|
1. Слесаросборочная операция |
3 |
18 |
54 |
|
|
2. Электромонтажные операции |
3 |
19 |
57 |
|
|
3. Регулировочные операции |
0,2 |
25 |
5 |
|
|
Итого |
116 |
Таблица 3.4. Расчёт затрат на покупку комплектующих изделий
|
Наименование |
рубли |
|
Подобные документы
Разработка автоматической измерительной системы в виде электронного термометра и ее системы управления. Назначение, основные технические характеристики термометра. Описание работы электрической схемы. Особенности разработки и изготовления печатной платы.
курсовая работа [170,6 K], добавлен 12.09.2012Разработка электронного термометра на основе аналогового цифрового преобразователя КР572ПВ5 с питанием от блока питания, собранного на микросхеме КР142ЕН1А, включенного по типовой схеме с защитой от короткого замыкания и датчиком температуры К1019ЕМ1.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 14.11.2013Проектирование микроконтроллерного регулятора температуры, предназначенного для автоматического регулирования температуры контролируемого объекта. Состав данной системы и принцип ее работы, сфера применения. Разработка структурной и принципиальной схемы.
курсовая работа [436,2 K], добавлен 14.07.2009Назначение и область применения устройства - выявление отклонений от нужной температуры и предотвращение ее критического изменения. Структурная схема регулятора температуры. Расчет узлов и блоков. Выбор элементной базы. Разработка принципиальной схемы.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 31.03.2013Проектирование цифрового термометра с возможностью отображения температуры на ЖК индикаторе. Аналитический обзор цифрового термометра. Схема включения микропроцессора, формирования тактовых импульсов. Разработка программного обеспечения микроконтроллера.
курсовая работа [671,4 K], добавлен 19.12.2010Особенности разработки измерительной части системы регулирования температуры. Характеристика структурной и электрической схемы электронного устройства. Анализ элементов схемы электронного устройства и источника питания. Методика испытания отдельного узла.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 19.06.2012Разработка аппаратных и программных средств для реализации цифрового термометра. Выбор способа измерения температуры. Функциональные возможности преобразователя DS18B20. Возможность использования LCD дисплея без подсветки и семисегментного индикатора.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 15.01.2013Обзор аналогов изделия. Описание структурной схемы. Описание схемы электрической принципиальной. Разработка и расчет узлов схемы электрической принципиальной. Обоснование выбора элементов схемы. Расчет печатной платы. Тепловой расчет.
дипломная работа [622,7 K], добавлен 14.06.2006Виды и использование датчиков автоматического контроля режимных параметров технологических процессов химического производства. Принцип действия измеряемых датчиков, регуляторов температуры, модульных выключателей. Средства защиты электроустановок.
дипломная работа [770,6 K], добавлен 26.04.2014Принцип построения цифрового термометра. Оформление датчика температуры. Принципиальная схема цифрового термометра. Требования к бытовым термометрам: точность измерения, малогабаритность, экономичность, автономность питания, малая тепловая инерционность.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 07.06.2015
