Проектирование многофункционального пробника

Широкое развитие радиоэлектроники и внедрение её во все отрасли науки и техники является реалией нашего времени. Применение радиоэлектронной аппаратуры во многом обуславливает огромный рост эффективности производства, повышение качества продукции, дает возможность научным достижениям. Практически во всех областях знаний прогресс немыслим без широкого использования электроники. Именно поэтому радиоэлектроника, зародившаяся всего несколько десятилетий назад, является бурно развивающейся областью техники. За это время радиоэлектронная аппаратура прошла несколько этапов развития, каждый из которых позволял резко увеличивать количество функций, которые выполняет аппаратура, повышать их сложность и одновременно при этом сокращать вес и размеры аппаратуры, повышать ее надежность и снижать потребление энергии.

К аппаратуре первого поколения относят радиоэлектронную аппаратуру, построенную на электровакуумных лампах.

Ко второму поколению относится аппаратура, основу которой составляли полупроводниковые приборы.

Третьего поколение аппаратуры определили интегральные схемы среднего уровня интеграции. В аппаратуре резко уменьшилось количество элементов и соединений между ними. В связи с этим во много раз уменьшились масса и габариты, повысилась надежность и функциональность радиоэлектронных изделий.

Четвертое поколение — это аппаратура, построенная с использованием интегральных схем повышенной степени интеграции; аппаратура, в которой применяются большие интегральные схемы с программируемой логикой (микропроцессорные комплекты), позволяющие использовать цифровую обработку информации.

В настоящее время развиваются РЭС пятого поколения, в которых находят применение приборы функциональной электроники.

В современной радиоэлектроники нашли широкое применение однокристальные микроконтроллерные системы. Микроконтроллерные технологии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением микроконтроллеров, становиться проще. Оно не требует регулировки и меньше по размерам.

К основным тенденциям современной технологии производства РЭС относятся:

— Производство РЭС на безвыводных ЧИП-ЭРЭ и миниатюрных ЭРЭ с применением поверхностного монтажа;

— Применение инновационных технологий на базе новых материалов;

— Широкое применение систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).

Технология (от греческого «techne» — мастерство и «logos» — учение) — это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов, а также сами процессы (технологические процессы), при которых происходят качественные изменения обрабатываемого объекта.

Новая технология — это, обладающая более высокими качественными характеристиками по сравнению с лучшими аналогами, доступными на данном рынке, пользующаяся спросом и удовлетворяющая формирующимся или будущим потребностям человека и общества.

Высокая технология — это, обладающая наивысшими качествами показателями по сравнению с лучшими мировыми аналогами, пользующаяся спросом и удовлетворяющая формирующимся или будущим потребностям человека и общества.

1. Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Анализ исходных данных, указанных в техническом задании, позволяет определить основные параметры разрабатываемого пробника многофункционального, а также уяснить назначение устройства и условия эксплуатации.

Преимущество разрабатываемого пробника многофункционального в том, что он является весьма простым как в управлении так и в изготовлении.

Первичное питание для пробника многофункционального — 220 В, 50 Гц. Вторичное электропитание должно составлять +9 В.

Устройство должно эксплуатироваться в умеренном климате. При этом категория условий эксплуатации — в помещениях с искусственным климатом (4). В закрытом помещении с искусственным регулированием климатических условий (вентиляция, отопление).

Режимы работы: логический пробник (предел измерений 0,8 — 3,7 В); генератор прямоугольных импульсов (предел изменения от 0,5 мкс — до 5 мс); частотомер (предел измерений 1кГц — 100 МГц); счетчик событий; вольтметр (до 5 В); измеритель напряжение на p-n переходе; измеритель емкости конденсаторов (предел измерений 0,01 мкФ — 500 мкФ); измеритель индуктивности (предел измерений 0,01 мГн — 999,9 мГн);); генератор NTSC видеосигнала; генератор импульсов для сервоконтроллера (предел изменения от 1 — до 2 мс); генератор прямоугольных импульсов (частота от 1 Гц — до 9999 Гц); генератор случайных чисел (частота 10 кГц); генератор ИК импульсов (несущая частота 38 кГц); генератор ШИМ импульсов (частота 6 кГц).

Диэлектрические материалы необходимо подобрать так, чтобы не допустить пробивных напряжений (с большим удельным сопротивлением).

Для обеспечения надежности функционирования устройства при воздействии влаги необходимо применить влагозащитные материалы (лаки, компаунды).

Для обеспечения механической прочности изделия нужно выбрать материал печатной платы с достаточной прочностью (стеклотекстолит).

Для защиты от вибраций, печатную плату необходимо надежно закрепить в корпусе.

Органы управления и индикации, необходимо вынести на переднюю панель и надежно закрепить.

Вес прибора составляет не более 300 г.

Габариты изделия должны быть не более 125×70×30 мм.

Средняя наработка на отказ должна быть не менее 10⁵ ч.

Месячные программы запуска 663 шт, выпуска — 650 шт.

На основании характеристик типов производства изготовление пробника многофункционального, можно отнести к серийному производству.

1.2 Разработка электрической структурной схемы

При разработке структурных схем используются следующие методы:

Эвристический метод — основан на накопленном опыте, анализе технической литературы и интуитивных соображений. На основе их анализа создаётся несколько моделей структурных схем, из них выбирается самая надёжная, самая простая, самая дешёвая.

Математический метод — на основе исходных данных создаётся модель — математическое описание внешних воздействий. Проводится анализ модели, в которую входит математический расчёт, моделирование на ЭВМ, испытание макетов. Выбирается модель, имеющая оптимальные показатели качества.

Функциональное наращивание. На основе технического задания составляется перечень функций, которые должно реализовывать разрабатываемое устройство. В соответствии с функциями приводится перечень устройств реализующих эти функции и строится структурная схема.

Для правильного выбора структурной схемы целесообразно из существующих методов выбрать метод функционального наращивания.

Таким образом, основными функциями пробника многофункционального являются:

— формирование сигналов для индикатора, приём сигнала на вход и формирование сигнала на выход. Данную функцию может выполнять микроконтроллер;

— переключение режимов работы. Данную функцию может выполнять панель управления;

— отображение информации. Эту функцию может выполнять устройство индикации;

— вторичное электропитание устройства. Данное устройство обеспечит питание пробника и позволит включать его в сеть.

Из вышесказанного следует, что в состав часов со светодиодной индикацией входят следующие устройства:

1) микроконтроллер;

2) панель управления;

3) устройство индикации;

4) блок питания.

Тогда электрическая структурная схема будет иметь вид, представленный на рисунке 1.

1.3 Разработка схемы электрической принципиальной

Принципиальная электрическая схема разрабатывается на основании анализа исходных данных и принятой структурной схемы. Задача разработки электрической схемы проектируемого устройства заключается в выборе и обосновании принципиальных схем каскадов для реализации структурной схемы.

Вначале производится анализ известных схемных решений проектируемого каскада, приводится схема одного из них. И на основании анализа исходных данных и принятой структурной схемы выбирается наиболее подходящая электрическая схема. Критерии выбора: простота, надежность, дешевизна при выполнении заданных требований. Она может быть дополнена, усовершенствована новыми схемными решениями.

Исходя, из разработанной структурной схемы пробника многофункционального принципиальная схема состоит из следующих функциональных узлов:

1) микроконтроллер;

2) панель управления;

3) устройство индикации;

4) блок питания.

В качестве управляющего устройства целесообразно выбрать микроконтроллер типа picl6f870 с кварцевым резонатором. Микроконтроллер серии picl6f870 производителен и экономичен. Имеет удобный для разводки платы и пайки корпус. Расстояния между ножками относительно большое. Широко доступен в продаже. Недорогой. Условное графическое обозначение микроконтроллера приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 — Условно графическое обозначение микроконтроллера

В качестве устройства индикации целесообразно использовать светодиодные индикаторы, т.к. они дешевы и надежны, обеспечивают достаточную яркость свечения сегментов. Условное графическое изображение индикатора приведено на рисунке 3.

Рисунок 3 — Схема электрическая принципиальная устройства индикации Для данного устройства, целесообразно использовать блок питания, обеспечивающий наличие стабилизированного напряжения +9 В. Для получения данных напряжений необходимо использовать стабилизатор на +9 В. Схема электрическая принципиальная источника питания показана на рисунке 4.

Таким образом, электрическая принципиальная схема пробника многофункционального, имеет вид, представленный на рисунке 5.

Рисунок 4 — Электрическая принципиальная схема источника питания

1.4 Выбор элементной базы

Данный подраздел тесно связан с разработкой принципиальной схемы. Следует стремиться к максимальной микросхемизации разрабатываемого узла, но и учитывать возможности учебной материальной базы производственных мастерских радиотехнического цикла.

Выбор электрорадиоэлементов (ЭРЭ) должен быть сделан так, чтобы обеспечить надежную работу узла, блока. При этом необходимо стремиться к выбору недорогих элементов и имеющих широкое применение в современных радиоаппаратах и добиваться максимальной простоты сборки и электрического монтажа, регулировки и эксплуатации. Все ЭРЭ выбираются по справочной литературе и техническим условиям (ТУ).

В соответствии с разработанной принципиальной схемой, выбираем электрорадиоэлементы для проектируемых часов со светодиодной индикацией выбираем:

Резисторы R11… R13постоянные непроволочные резисторы, имеют минимальную ватность — 0,125Вт, с максимальным отклонением от номинального значения сопротивления 5%; ТКС = 0,001; максимальное рабочее напряжение U_{раб мах} = 200 В. Выбираем резисторы типа МЛТ, так как они имеют малый вес, стоимость, габариты и паразитные параметры.

R1,R7 — 100 Ом, МЛТ-0,125;

R2 — 510 Ом, МЛТ-0,125;

R3- 20 Ом, МЛТ-0,125;

R4- 150 Ом, МЛТ-0,125;

R5- 470 Ом, МЛТ-0,125;

R6,R10,R11,R12,R13 — 10 кОм, МЛТ-0,125;

R8 — 100 кОм, МЛТ-0,125;

R9 — 1 кОм, МЛТ-0,125;

Конденсаторы C2, C3 конденсаторы постоянной емкости оксидно-электролитическиe алюминиевыe, рассчитанные на максимальное напряжение 25 В, с максимальным отклонением от номинального значения емкости 10%, ТКЕ = 0,01.Выбираем конденсаторы К-10−35, они обладают большой емкостью, в пересчете на единицу объема, низкой ценой и доступны.

С2 — 100 мкФ0,4; U_н(1,3−1,5);U_раб=25В;ТКЕ=10^-3 1/С⁰;

С3 — 2200 мкФ0,4; U_н(1,3−1,5);U_раб=25В;ТКЕ=10^-3 1/С⁰.

Конденсаторы C1, C4,С5 конденсаторы постоянной емкости керамические, с рабочим напряжением ниже 1600 В, с максимальным отклонением от номинального значения емкости 10%, ТКЕ = 0,01. Выбираем конденсаторы К-10−5, они позволяют получить высокую емкость в единице объема, имеют стабильную емкость, устойчивы к изменениям температуры.

С1 — 0,1 мкФ0,4; U_н=50В;ТКЕ=10^-3 1/С⁰;

С4,С5 — 22 пФ0,4; U_н=50В;ТКЕ=10^-3 1/С⁰.

Диоды VD1… VD4: RS407 — диодная сборка. Выбираем RS407 — кремниевый диффузионный диод, он соответствует всем параметрам, стабилен в работе, доступен в цене. Максимальный прямой ток — 4 А, максимальное обратное напряжение — 1000 В, температура окружающей среды -60 +130 С⁰. VD5: д814б — стабилитрон малой мощности. Номинальное напряжение стабилизации — 9 В, максимальная мощность 340Вт. HL1: АЛ301А — светодиод. Номинальное напряжение — 3,15 В, ток — 20 мА.

Трансформатор выбираем трансформатор ТПП-207−220−35. Это малогабаритный дешевый трансформатор, использующийся для питания п/п приборов .

Параметры:

— f = 50 Гц;

— U₁ = 220 B;

— U₂ = 9 В.

Микросхема DD1: pic16f870 — микроконтроллер. 3,5 кб флеш-памяти команд, 128 б электрически программируемой памяти, 128 б статической памяти DA1: LM2931 — стабилизатор напряжения. Данная микросхема предназначена для вторичных источников питания, является стабилизатором фиксированного напряжения, недорога и доступна в продаже.

Параметры:

— диапазон рабочих напряжений — 25 В;

— максимальный потребляемый ток 120 мА;

— напряжение стабилизации — 5 В;

— диапазон рабочих температур составляет от -65С⁰ — +150 С⁰.

Индикатор выбираем семисегментный, недорогой удовлетворяющий данным параметрам. HG1-HG4: LTC5461AS R — индикатор семисегментный. Потребление тока менее 30мА. Отображение информации: 4 символа 7 сегментов.

Кварцевый резонатор выбираем среднечастотный резонатор, имеющий стабильность и точность частоты удовлетворяющую бытовым приборам. Недорогой. Максимальное отклонение от номинала составляет 0.1%.

ZQ1: 20 МГц.

Аккумуляторная батарея. Напряжение — 9 В, ток — 800 мА.

Предохранитель выбираем быстродействующую малогабаритную плавкую вставку ВП-1. FU1: ВП-1 — керамический предохранитель, 250 В, 0,2А.

Переключатели SB1, SB2 — кнопочные без фиксации и с возвратом в исходное состояние. SA1, SA2 — с фиксацией.

XP1 — шнур питания подключения к устройству.

XS1 — гнездовой соединитель.

Транзисторы КТ315 — кремниевый высокочастотный биполярный транзистор малой мощности n-p-n — проводимости в корпусе КТ — 13. КТ817 — кремниевый биполярный транзистор.

2. Расчетная часть

2.1 Электрический расчет каскадов

2.1.1 Расчет маломощного трансформатора

Расчет маломощного трансформатора осуществляется на основе методики, изложенной .

Расчет трансформатора целесообразно начать с выбора магнитопровода, т. е. определения его конфигурации и геометрических размеров.

Наиболее широко распространены три вида конструкции магнитопроводов, приведенные на рис. 3.

Для малых мощностей, от единиц до десятков Вт, наиболее удобны броневые трансформаторы. Они имеют один каркас с обмотками и просты в изготовлении.

Трансформатор с кольцевым сердечником (торроидальный) может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным. Имея некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов, торроидальные являются вместе с тем и наименее технологичными (удобными) в изготовлении.

Рисунок 6 — Конструкции магнитопроводов трансформаторов: а) броневого пластинчатого; б) броневого ленточного; в) кольцевого ленточного

Исходные данные: напряжение сети U₁=220 B; частота сети f=50 Гц; параметры вторичной обмотки U₂=9 В, I₂=0,8 А.

Мощность трансформатора в соответствии с формулой (1):

Р_г=U₂*I₂ (1)

P_г=9*0,8=7.2 B*A

Выбираем сталь 1511, магнитопровод из пластин толщиной 0,5 мм, у которого k_C=0,93, а так же находим параметры, соответствующие P_г=7,2 B*A, а именно, В=1,1 Тл, J=4,8 A/мм², k₀=0,22, з=0,85

Ток I1 в соответствии с формулой (2) и с учетом, что cosц=0,9:

(2)

Исходная расчётная величина ScSo в соответствии с формулой (3) определяется:

(3)

см⁴

Согласно полученному ScSo вбираем броневой магнитопровод из пластин Ш20×32, у которого ScSo=64 см⁴ со следующими параметрами: а=20 мм, с=20 мм, h=50 мм, b=12 мм, Sc=5,82 см²

Число витков в обмотках трансформатора согласно формулам (4) и (5):

(4)

(5)

где =5ч4, =10ч8

Сечение проводов обмоток в соответствии с формулой (6) определяется:

(6)

По найденным сечениям проводов для провода марки ПЭВ-1 находим соответствующие диаметры проводов обмоток с изоляцией. Таким образом,

d1=0,135 мм, d2=0,55 мм.

Определяем возможность размещения обмоток в окне выбранного магнитопровода, для чего производим расчёты согласно формулам (7), (8), (9):

— число витков в первичной обмотке в одном слое:

(7)

где h-высота окна магнитопровода, мм;

е1-расстояние обмотки до ярма, обычно е1=2ч5 мм;

d1-диаметр провода обмотки, мм.

Полученное значение округляется до меньшего ближайшего числа.

- число слоёв обмотки:

(8)

Полученное значение округляется до большего ближайшего числа.

- толщина обмотки:

д₁=m₁(d₁+г₁) (9)

где г₁ — толщина изоляционной прокладки, которая применяется, если напряжение между сломяи превышает 50 В (г₁=0,05ч0,08 мм).

Обмотка щ₁:

Число витков в одном слое обмотки:

щ₁₁=(50−2*3.5)/0,135=319

Число слоёв обмотки

m₁=1478/319=4,6 Примем m₁=5

Толщина всей обмотки д₁ с учётом, что г₁=0

д₁=5*0,135=0,675 мм.

Обмотка щ₂:

Число витков в одном слое обмотки:

щ₁₂=(50−2*3.5)/0,55=78

Число слоёв обмотки

m₂=58/78=0,74 Примем m₁=1

Толщина всей обмотки д₂ с учётом, что г₂=0

д₂=1*0,55=0,55 мм.

Необходимая ширина окна определяется в соответствии с формулой (10):

С_НЕОБХ=k (е₂+д₁+ д_1,2+ д₂+ д_2,3+…+ д_N-1+ д_N-1,N+ д_N + е₃)+ е₄ (10)

где k-коэффициент разбухания обмоток за счёт неплотного прилегания cлоёв, k=1,2ч1,3;

е₂-толщина изоляции между обмотками и стержнем, е₂=1,0ч2,0 мм;

е₃-толщина наружной изоляции катушки, е₃=0,5ч1,0 мм;

е₄-расстояние от катушки до второго стержня, е₄=1ч4 мм;

д_1,2, д_2,3, …, д_N-1,N-толщина изоляции между обмотками, она составляет 0,5ч1,0 мм.

Учитывается, что k=1,25; е₂=1,5; д_1,2= д_2,3=0,75; е₃=0,75; е₄=2,5.

С_НЕОБХ=1,25(1,5+0.675+0,75+0,55+0,75+0,75)+2,5=8,7 мм.

Таким образом, С_НЕОБХ не превышает ширину окна выбранного магнитопровода, которая равна 20 мм, следовательно, обмотки трансформатора разместятся в окне данного магнитопровода.

2.1.2 Расчет параметрического стабилизатора

Исходные данные (номинальные значения): выпрямленное напряжение в нагрузке U_ОН=12В; выпрямленный ток в нагрузке I_О=0,8 А; коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке k_П.Н.=1%; напряжение сети U₁=220 В; частота сети f_С=50 Гц; рабочий диапазон температур ДТ_ОКР= -50ч60єc; мощность в нагрузке Р_ОН= U_ОН· I_О=12*0,8=9,6 В· А Применяется однофазная мостовая схема выпрямления с фильтром, начинающимся с конденсатора, который обозначается С₃.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения принимается K_п.вх=15%

Напряжение на выходе схемы выпрямления

U_o=U_oн[1+0,01(?U_ф/ U_oн)]=12(1+0,0110)=13,2 B

Основные параметры диодов схема определяются по [таблице 1], согласно которой приблизительное значение

I_пр.и.п.=3,5I_o=3,50,8=2.8 A;

I_пр.ср=I_o/2=0,8/2=0.4 A;

U_{обр.и.п.}=1,5U_o=1,513,2=19,8 B

В соответствии с этими данными выбираем диодную сборку RS407 со следующими параметрами при окружающей температуре -60 +130%;

I_{пр. ср.max}=4 А> I_пр.ср;

U_обр.max=1000 B> U_обр.и.п;

I_{пр. и.max}= 6I_{пр. ср.max}=60> I_{пр. и.прибл.};

U_пр.ср=1B

Таким образом, N_посл=1

1. Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведённое ко вторичной обмотке, определяется согласно формуле (11)

(11)

2. Дифференциальное сопротивление диодов определяется согласно формуле (12):

(12)

3. Активное сопротивление фазы выпрямителя определяется согласно формуле (13)

r_o=2r_диф+r_тр (13)

r_o=20.83+1.3=2.99 Ом

4. Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора определяется согласно формуле (14)

(14)

5. Соотношение между активным и реактивным сопротивлением фазы выпрямителя определяется по формуле (15)

(15)

ц=2,2є

6. Вспомогательный коэффициент определяется по формуле (16)

(16)

7. Расчетные коэффициенты B, D, F и H определяются по графикам: B=1,6; F=3,7; D=1,8; H=49 000

8. Уточняется значение I_пр.и

(17)

; I_пр.и=1.48А<4А Таким образом, вентиль RS407 по току выбран правильно.

9. Электрические параметры трансформатора.

U₂= BU_o=1,613,2=18,5 B (18)

(19)

(20)

P_г=1,5Р_о=1,5U_oI_o=1,513,20.8=15,8 BA (21)

10. Проверка выбранного диода по обратному напряжению:

U_обр=1,41U₂=1,4118,5=26 B < 1000 B

Таким образом, по обратному напряжению вентиль RS407 выбран правильно.

11. Входная емкость фильтра С₃ определяется согласно формуле (22)

где =15% (22)

Принимаем ближайшее стандартное значение С₃=2200 мкФ. Выбираем конденсатор Samsung 9105 с Uраб=25 В.

Коэффициент пульсации, соответствующий С₃ определяется по формуле (23)

(23)

2.1.3 Расчет диода

Требуется рассчитать токоограничивающий резистор для питания диода Схема включения диода приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Схема включения диода

Расчёт резистора производится по формуле:

R = U — dU/I (24)

где R — сопротивление резистора;

U — напряжение питания;

dU — падение напряжения;

I — номинальный ток светодиода.

Выбираем диод с номинальным напряжением 3,15 В и номинальным током 0,02А.

R = 5 — 3,15 / 0,02 = 92,5 Ом. Выбираем резистор 100 Ом.

2.2 Расчет надежности изделия

Исходные данные вносим в таблицу 1, в которой содержится перечень, тип и количество используемых компонентов, и произведем их анализ.

Надёжность — свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах.

Надежность РЭС в конечном итоге зависит от количества и качества входящих в него элементов и от условий его эксплуатации.

Качественными характеристиками надежности являются безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

Если при работе или хранении аппаратуры произошло нарушение работоспособности изделия, то такое событие называют отказом. Отказы могут быть внезапными и постепенными.

При конструировании аппаратуры необходимо принимать меры по повышению ее надежности. Необходимо также учитывать, что надежность можно повысить на этапе проектирования, производства и эксплуатации.

Количественные характеристики надежности вводятся с целью сравнения различных типов изделий или образцов изделий одного и того же типа.

Одной из таких характеристик является вероятность безотказной работы изделия в течение заданного интервала времени tp: О < P (tp) < 1.

Эта формула дает возможность определить какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного времени tp. Вероятность безотказной работы можно определить по формуле:

P (tp)? b / а, (25)

где b — количество ЭРЭ, работающих исправно;

а — общее количество ЭРЭ.

Вероятность безотказной работы, кроме зависимости от физических свойств ЭРЭ, зависит также от времени tp, в течении которого изделие должно работать безотказно:

P (tp) = e- ^лtр, (26)

где е — основание логарифма;

л — интенсивность отказов;

tp — время безотказной работы.

Расчёт надёжности РЭС производится по методике, изложенной в [11], и осуществляется в следующем порядке:

а) Необходимо проанализировать исходные данные, в которых содержатся:

- Перечень используемых компонентов;

- Количество используемых компонентов;

- Температура окружающей среды и фактическое значение параметра б, определяющего надежность.

б) Составляем таблицу аналогичную таблице 2.3 [11], в которой находятся наряду с исходными данными, также и расчетные величины.

в) По данным, содержащимся в справочниках и ТУ на радиокомпоненты, определяем значение параметра, определяющего надежность и конструктивную особенность. Данные вносятся в графы 6 и 7 таблицы 2.3.

г) По формулам (2.7 — 2.10) производим расчёты коэффициента нагрузки:

Таблица 1 — Перечень, тип и количество используемых компонентов

По формулам (2.7 — 2.10) производятся расчёты коэффициента нагрузки:

Резисторы:

_, (27)

где — фактическая мощность, рассеиваемая на резисторе;

— номинальная мощность, рассеиваемая на резисторе.

МЛТ — 0,125: К_н = 0,008 / 0,0125 = 0,064

Конденсаторы:

_, (28)

где — фактическое напряжение, прикладываемое к конденсатору;

— номинальное напряжение, прикладываемое к конденсатору.

К50 — 35: К_н = 24 / 25 = 0,96;

К10 — 5: К_н = 5 / 100 = 0,05.

Диоды:

(29)

где — фактическое значение проходящего тока;

— номинальное значение проходящего тока.

RS407: К_н = 1 / 3 = 0,33;

Д814б: К_н = 1,2 / 3 = 0,4;

АЛ301А: К_н = 0,02 / 0,02 = 1.

Микросхемы:

_, (30)

где — фактическое напряжение питания ИМС;

— максимальное напряжение питания ИМС.

Pic16f870: К_н = 0,02 / 0,03 = 0,67;

LM2931: К_н = 0,5 / 1 = 0,5.

Трансформатор:

(31)

где — фактическое напряжение;

— номинальное напряжение.

ТПП-207−220−35: К_н = 9 / 12 = 0,75

Индикаторы:

(32)

где — фактическое напряжение;

— номинальное напряжение.

LTCS5461AS R: К_н = 3,3 / 5 = 0,66.

Переключатели:

_, (33)

где — фактическое напряжение;

— максимальное допустимое напряжение.

SB: К_н = 5 / 220 = 0,02;

SA: К_н = 220 / 1000 = 0,022.

Предохранитель:

(34)

где — фактическое значение проходящего тока;

— номинальное значение проходящего тока.

ВП-1: К_н = 0,03 / 0,2 = 0,015.

Кварцевый резонатор:

(35)

где — фактическое напряжение;

— номинальная напряжение.

ZQ: К_н = 5 / 10 = 0,5.

Транзисторы:

Кн = Рс / Рс max, (36)

где Рс — фактическая мощность рассеиваемая на коллекторе;

Рс max — максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе.

КТ315: Кн = Рс / Рс max =0.25/0.150 = 0.16

КТ817: Кн = Рс / Рс max =0.25/25 = 0.01

По таблице 2 интенсивности отказов определяем значение (интенсивность отказов) для каждого радиокомпонента.

Таблица 2 — Интенсивность отказов радиокомпонентов

Таким образом получаются исходные данные:

— резисторы ;

— конденсаторы ;

— конденсаторы ;

— диоды ;

— диоды ;

— диоды ;

— микросхемы ;

— трансформатор

— индикаторы

— переключатели ;

— предохранитель ;

— кварцевый резонатор ;

— транзисторы ;

— пайка .

Из таблицы 3 определяется также для каждого компонента дополнительный коэффициент, учитывающий значение температуры и коэффициента нагрузки (заносится в таблицу 5). Затем рассчитываем (интенсивность отказов с учетом температуры и коэффициента нагрузки) по формуле (37).

(37)

где — коэффициент влияния температуры;

— интенсивность отказов для группы компонентов.

Таблица 3 — Зависимостьот

Рассчитывается для каждого элемента:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Все значения заносятся в соответствующие графы таблицы 5. Для расчета учета влияния температуры выбирается температура .

Рассчитываются (интенсивность отказов всех ЭРЭ) для каждой группы компонентов по формуле (36).

(38)

где — число компонентов, входящих в группу;

— интенсивность отказов группы компонентов. Рассчитывается для каждой группы компонентов:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Находится значение интенсивности отказа для всего блока:

(39)

Все рассчитанные и исходные данные заносятся в таблицу 5, которая служит основанием для дальнейших расчетов.

Определяется средняя наработка на отказ по формуле:

(40)

при, получим:

;

Рассчитывается значение вероятности безотказной работы для четырех значений времени работы узла РЭС по формуле:

(41)

Расчет вероятности безотказной работы производится по формуле 41, результаты заносятся в таблицу 4 и отражаем на рисунке 8.

Таблица 4 — Расчет безотказной работы изделия

Рисунок 8 — График безотказной работы

2.3 Расчет размера печатной платы

При выполнении расчётов используются справочные данные о габаритных размерах электрорадиоэлементов (ЭРЭ) или производят измерения установочных размеров ЭРЭ с учетом выбранного способа размещения и крепления их на печатной плате.

Для обеспечения оптимизации размещения ЭРЭ на печатной плате, размер платы должен выбираться (рассчитываться) с определённым запасом. Коэффициент запаса площади (плотности монтажа) для большинства узлов РЭС выбирают в пределах Кз = 1,0 — 2,5.

Расчёт производится в следующей последовательности:

Расчет площади, занимаемой всеми ЭРЭ данного типа в проектируемом печатном узле РЭС:

Исходные данные для расчёта являются справочными данными:

Установочная площадь: резисторы R3… R8, R10… R13: МЛТ — 0,125 — 38 мм² (10 шт.); конденсаторы С2: К50 — 35 — 40 мм² (1 шт.); конденсаторы С1, С4,С5: К10 — 5 — 40 мм² (3 шт.); микросхемы DD1: pic16f870 — 350 мм² (1 шт.); DA1: LM2931 — 35 мм² (1 шт.); кварцевый резонатор ZQ1: 20,0 МГц — 40 мм² (1 шт.).

Коэффициент запаса (1 — 2,5) выбираем К_з = 2,5.

Расчёт площади, занимаемой всеми ЭРЭ данного типа производится по формуле:

(42)

где n_{(R,C,DD,DA,VT,BA)} — количество ЭРЭ данного типа;

S_i — установочная площадь одного ЭРЭ данного типа в мм²;

Рассчитываем площадь, занимаемую ЭРЭ соответствующего типа:

;

;

;

;

.

Расчёт общей площади элементов монтажа:

.

4) Определяем установочную площадь всех элементов на плате с учетом площади уголков для крепления платы и площади монтажных проводов.

S_уст.= S_общ.* К_уст, (43)

где Куст — коэффициент установки. Куст.=1,2;

S_уст.= S_cум.*1,2

S _уст = 969*1,2 =1163 мм²

5) Расчёт площади печатной платы с учётом коэффициента площади монтажа производится по формуле:

(44)

где S_уст — общая площадь элементов монтажа;

К_з — коэффициент запаса.

Sпп = 1163*2,5 =2908 мм²

6) Выбирается соотношение сторон по удобству расположения и крепления платы в конструкции узла РЭС: 1:1.

7) Расчет размера сторон платы:

(45)

Х_р= (46)

Х_р = 54 мм Длина платы с учетом кратности в соответствии с ГОСТ 10 317– — 79 равна 55 мм. Ширина платы 55 мм.

2.4 Расчёт печатного монтажа

Печатные платы обладают электрическими и конструктивными параметрами.

К электрическим параметрам относятся:

t — ширина печатного проводника;

S — расстояние между печатными проводниками;

b — радиальная ширина контактной площадки;

R — сопротивление печатного проводника;

C — емкость печатного проводника;

L — индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам печатных плат относятся:

— размеры печатной платы;

— диаметры и количество монтажных отверстий;

— диаметры контактных площадок;

— минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Расчет печатного монтажа производится в следующей последовательности:

Исходные данные для расчета:

— максимальное рабочее напряжение в электрической схеме: 9В;

— максимально возможный ток через печатный проводник I_mаx = 0,1 А;

— размер печатной платы равен 55*55 мм.

1. Минимально допустимая ширина проводника:

t_min Imax /(h_Ф х J): (47)

где I — ток, А, протекающий по проводникуберется из исходных данных (О, 1 А).

h_Ф— толщина фольги h_ф = 0,05 мм);

j — плотность тока, А/мм².

Максимально допустимая плотность тока для печатных проводников следующая:

30 А/мм2 для внешних слоев печатной платы бытовой аппаратуры;

20 А/мм2 для внешних слоев печатной платы специальной аппаратуры;

15 А/мм2 для внутренних слоев многослойной печатной платы.

t = 0,1/0,05*30 = 0,07 мм.

2. Минимально допустимое расстояние (зазор) между двумя печатными проводниками.

Минимальное расстояние S между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрической прочности. Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка, расположенные на наружном слое печатной платы, приведены в таблице 6. Расчёт минимального расстояния между двумя печатными проводниками производится исходя из максимального рабочего напряжения в электрической схеме. Для напряжения питания 9 В, при использовании стеклотекстолита в качестве основания печатной платы, минимальное расстояние между проводниками составляет 0,2 мм.

Таблица 6 — Допустимые рабочие напряжения

Зная t и S, из конструктивных соображений выбирается класс точности печатной платы.

Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции печатных плат для узкого места в зависимости от класса точности приведены в таблице 7.

Таблица 7- Номинальные значения основных параметров для разных классов точности

* г — отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы.

Отечественным стандартом ГОСТ 23 751–86 предусматривается пять классов точности (плотности рисунка) ПП (см. таблицу). Выбор класса точности определяется достигнутым на производстве уровнем технологического оснащения. В КД должно содержаться указание на необходимый класс точности ПП.

Платы первого и второго классов точности просты в изготовлении, дешевы, не требуют для своего изготовления оборудования с высокими техническими показателями, но не отличаются высокими показателями плотности компоновки и трассировки.

Для изготовления плат четвертого и пятого классов требуется специализированное высокоточное оборудование, специальные материалы, безусадочная пленка для изготовления фотошаблонов, идеальная чистота в производственных помещениях, вплоть до создания «чистых» участков (гермозон) с кондиционированием воздуха и поддержанием стабильного температурно-влажностного режима. Технологические режимы фотохимических и гальвано-химических процессов должны поддерживаться с высокой точностью.

Массовый выпуск плат третьего класса освоен основной массой отечественных предприятий, поскольку для их изготовления требуется рядовое, хотя и специализированное оборудование, требования к материалам и технологии не слишком высоки. Выбираем класс точности третий Выбрав класс точности изготовления печатной платы, можно определиться со способом изготовления печатной платы.

Для изготовления печатных плат используют фольгированный гетинакс и фольгированный стеклотекстолит, которые могут быть односторонними и двусторонними. Выбор материала выбирается из конструктивных соображений. Следует помнить, что гетинакс дешевле стеклотекстолита, но если плата должна быть двусторонней или изделие будет эксплуатироваться в условиях повышенной влажности, повышенных механических нагрузок или в тяжелом температурном режиме, то следует использовать стеклотекстолит. Кроме того, сцепление фольги со стеклотекстолитом лучше, чем с гетинаксом, и фольгированный стеклотекстолит выдерживает большее число перепаек, не отслаиваясь. Наиболее распространенные марки фольгированных диэлектриков следующие:

ГФ-1−35, ГФ-1−50, ГФ-2−50, СФ-1−35, СФ-1−50, СФ-2−35, СФ-2−50, где первые две буквы означают вид диэлектрика, первая цифра говорит о том односторонний или двусторонний фольгированный диэлектрик, следующие две цифры указывают на толщину фольги в микрометрах. Выбираем:

— материал печатной платы: односторонний фольгированный стеклотекстолит марки СФ-1−35−1,5;

— метод изготовления печатной платы: химический;

— метод получения проводящего рисунка: офсетная печать;

— резистивное покрытие печатных проводников: сплав «Розе».

3. Сопротивление печатного проводника рассчитывается по формуле:

(48)

где с — удельное сопротивление меди, Ом· мм²/м;

l — длина проводника, м.(измеряется)

t — минимальная ширина проводника

h — толщина проводника

Удельное сопротивление меди зависит от метода изготовления проводящего слоя. Если проводники формируются методом химического травления фольги, то удельное сопротивление меди будет равно 0,0175 Ом· мм²/м, а при электрохимическом наращивании меди пленка более рыхлая и удельное сопротивление равно 0,025 Ом· мм²/м, при комбинированном методе изготовления печатной платы, когда проводники получаются методом химического травления, а металлизация отверстий производится методом электрохимического наращивания, удельное сопротивление будет равно 0,020 Ом· мм²/м.

с =0,0175 Ом· мм²/м;

l =для наиболее длинного 0,0375 м;

t = 0,15 мм;

h = 0,05 мм.

R = 0,175*0,064/0,05*0,07 = 0,3 Ом

4. Sпp — суммарная площадь печатных проводников в виде линий:

(49)

где — ширина печатного проводника, 0,15;

— общая длина печатных проводников, 444 мм;

.

5. S_КПП— суммарная площадь контактных площадок:

(50)

где — радиус контактной площадки;

— радиус отверстия;

— количество контактных площадок, 86 шт. ;

Диаметры монтажных отверстий должны быть несколько больше диаметров выводов ЭРЭ, причем

d_О = d_В +, (51)

при d? 0,8 мм Д = 0,2 мм,

при d > 0,8 мм Д = 0,3 мм,

при любых d Д = 0,4 мм, если ЭРЭ устанавливаются автоматизировано.

Диаметр выводов равен 0,8 мм, следовательно диаметры монтажных отверстий будут равны:

d_О = 0,8 + 0,2 = 1 мм Рекомендуется на плате иметь количество размеров монтажных отверстий не более трех. Поэтому диаметры отверстий, близкие по значению, увеличивают в сторону большего, но так, чтобы разница между диаметром вывода и диаметром монтажного отверстия не превышала 0,4 мм. Диаметры контактных площадок определяются по формуле:

d_к = dо + 2 b + Дd, (52)

где b — радиальная ширина контактной площадки, мм, определяется по таблице 7

Дd — предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм;

d_к = 1 + 2*0,1 +0,2 = 1,4 мм.

R_отв = d_к/2

R_к = 0,7 мм.;

R_отв = 0,4 мм.;

n₁ = 86 шт.;

6. S_ПП — суммарная площадь печатных проводников, мм².

(53)

Где S_КПП — площадь контактных площадок;

S_ПР — суммарная площадь печатных проводником в виде линий.

Sпп = 121 + 66,6 = 187,6

7. Паразитная емкость печатной платы:

(54)

где — диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для стеклотекстолита 5);

h — толщина платы;

S_ПП — суммарная площадь печатных проводников, мм².

С = 9=5,6пФ

8. Площадь металлизации:

Поскольку маркировка ЭРЭ и условное обозначение платы выполняется краской, то площадь металлизации равна площади проводящего слоя:

(55)

где S_ПП — площадь печатных проводников (Sпп =187,6

Sмет.= Sпп = 187,6 мм².

Рассчитанное значение заносится в технические требования монтажа печатной платы.

9. Паразитная поверхностная емкость между соседними проводниками:

(56)

где k — коэффициент, зависящий от ширины проводников и их взаимного расположения;

е — диэлектрическая проницаемость материала платы: ;

l_n — длина взаимного перекрытия проводников, мм.

10. Расчет масс печатной платы и сборочной единицы.

Массу печатной платы, определим по формуле:

m ₌ m_{п +} m_ф, (57)

где m_п — масса платы, г;

m_ф, — масса фольги, г.

Масса печатной платы и масса фольги рассчитывается по формуле:

m = ЧV (58)

где m_п — масса, г;

— удельная плотность г/см³;

V — объем,

Определяютя по справочникам:

— толщина фольги: h_ф= 0.05 мм ;

— удельная плотность фольги 2,6*103кг/м³;

— удельная плотность стеклотекстолита 1700 — 1800кг/м³;

— толщина платы Н = 1,5 мм.

m_п = 1700*0,1*0,05*0,0015 = 12,75г

m_ф = 2,6*10³*0,1*0.05**35*10^—6 = 0,455г

m ₌ 12,75 + 0,455 = 13,2 г Определяется масса печатной платы с элементами. Результаты расчетов записываются в таблицу8

Таблица 8 — Вес отдельных элементов устройства.

Просуммировав массу отдельных элементов, получаются:

Общая масса элементов:

mэ = 34,586 г.

Общая масса устройства

M = mэ + mп = 34,586 +13,2 =47,786 г.

2.5 Расчет технологичности изделия

Согласно ГОСТ 14.205−83 «Технологичность конструкции изделий. Термины и определения»: технологичность конструкции изделия — это совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат труда, при производственном изготовлении и техническом обслуживании для заданных показателей качества объема выпуска и условий выполнения работ.

Количественной оценкой технологичности конструкции является суммарный показатель, в состав которого входят конструкторские и технологические показатели деталей и узлов изделия.

Согласно ОСТ 4ГО.091.219 81, все блоки по технологичности делятся на четыре основные группы: электронные, радиотехнические, электромеханические, коммутационные.

Для оценки технологичности используют систему относительных частных показателей (К_i) и комплексный показатель (Кк) который сравнивается с нормативным комплексным показателем технологичности (Кн), разрабатываемым как среднестатистический для данного класса изделий и приведенным в таблице 9 (см. [2], [3]). Если Кк>Кн, то конструкция считается технологичной.

Таблица 9 — Значения нормативных показателей технологичности [5]

Различают производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичность конструкции.

Производственная технологичность определяет объем работ по технологической подготовке производства (ТПП), сложность изготовления, удобство монтажа вне предприятия — изготовителя.

Количественной оценкой производственной технологичности конструкции является суммарный показатель, в состав которого входят конструкторские и технологические показатели деталей и узлов изделия.

Конструкторские показатели определяют конструктивную преемственность — совокупность свойств изделия, характеризуемую повторяемостью в нем составных частей, относящихся к изделиям данной классификации группы, и применяемостью новых составных частей, обусловленных его функциональным назначением, а также сложностью сборки.

Технологические показатели определяют технологическую преемственность конструкции, приспособленность её к механизации и автоматизации при изготовлении, а также сложностью обработки деталей. Под технологической преемственностью понимают совокупность свойств изделия, характеризуемую применяемостью и повторяемостью технологических методов выполнения узлов и их конструктивных элементов, относящихся к изделиям данной классификационной группы. Для каждого типа блоков из общего состава определяется семь показателей технологичности, оказывающих наибольшее влияние, каждый из которых имеет свою весовую характеристику. Основные конструкторские и технологические показатели конструкции приведены в таблице 10.

Таблица 10 — Основные показатели технологичности РЭС [5],

Для радиотехнических устройств выбираем показатели технологичности в соответствии с таблицей 11

Таблица 11 — Показатели технологичности радиотехнических устройств

Примечание: в графе q_i буквы нижнего индекса означают: «т» — технологический показатель, «к» — конструкторский показатель.

Каждый показатель имеет свою весовую характеристику, определяемую в зависимости от порядкового номера частного показателя таблица 12

Таблица 12 -Весовые характеристики

Весовая характеристика рассчитывается по формуле 59:

F = g/, (59)

где g — порядковый номер последовательности частных показателей

Далее осуществляем расчет соответствующих коэффициентов:

1) Коэффициент автоматизации и механизации монтажных соединений:

(60)

где — число монтажных соединений, выполняемых с использованием автоматизации и механизации;

- общее число монтажных соединений.

.

2) Коэффициент механизации подготовки ЭРЭ к монтажу:

(61)

где — число ЭРЭ, подготовленных механизированно к монтажу;

— общее число всех ЭРЭ.

.

3) Коэффициент освоенности деталей и сборочных единиц:

Косв = 1 — Дор / Д, (62)

где — число типоразмеров (число типов с различными размерами) оригинальных деталей (платы печатные, радиаторы, соединители из ударопрочного полистирола, держатели предохранителей, корпусные — передняя, задняя панель; кронштейны), без учёта оригинальных ЭРЭ;

— общее число типоразмеров деталей (типовые, ранее применённые) без учета крепежа.

.

4) Коэффициент использования ИС и микросборок:

(63)

где — число ИС и микросборок, ;

— общее число ЭРЭ в изделии, .

.

5) Коэффициент повторяемости типовых ЭРЭ:

(64)

где — число типовых ЭРЭ в изделии ;