Разработка предварительного усилителя сигнала датчика

Данный курсовой проект включает в себя задачу разработки конструкции, указанной в задании, а так же разработку соответствующей конструкторской документации.

В ходе выполнения курсовой работы будет выполнен конструкторский анализ технического задания, выбор оптимальной элементной базы, разработка функциональной ячейки и блока конструкции. Для сконструированного прибора будет выбрана необходимая система охлаждения, выполнена оценка вибропрочности и интенсивности отказов. В завершении работы будут представлены сборочный чертеж и чертеж принципиальной схемы, разработанной конструкции.

Все принимаемые решения в ходе проектирования будут основываться на идее минимизации разрабатываемой конструкции, ее удешевления, а так же повышения надежности.

1. Техническое задание

1.1 Наименование и область применения

Предварительный усилитель сигнала датчика предназначен для первичной обработки сигналов различных быстродействующих датчиков ИК диапазона, но может быть успешно использован и для работы с другими источниками широкополосных сигналов, имеющими выходное сопротивление 20…200 Ом. От подобных по назначению устройств этот усилитель выгодно отличается сочетанием малых собственных шумов, высокой температурной стабильностью параметров и широкой полосой пропускания.

Область применения: жилые отапливаемые помещения.

Шифр: Блок УНС-Э Обозначение: МАИ.467 111.001.

1.2 Основа для разработки

Задание на курсовую работу выданное кафедрой 404.

Дата утверждения: 18.05.2012 г.

Цель и задача разработки Цель: Создание модели предварительного усилителя сигнала датчика.

Задача: разработка конструкции, отвечающей требованиям технологичности и экономичности при малых материалоемкости и потребляемой мощности для серийного производства.

Построение устройства для предварительного усиления сигнала датчика.

Источники разработки Журнал «Радио» № 2 2011 год, статья «Предварительный усилитель сигнала датчика».

Прототип — семейство предварительных усилителей. Изменения: малые собственные шумы, высокая температурная стабильность параметров, широкая полоса пропускания.

Технические требования Состав изделия: Предварительный усилитель сигнала датчика состоит из блока содержащего печатную плату, конденсаторов, резисторов, диодов, транзисторов, транзисторных сборок.

Габаритные размеры блока не должны превышать 403 020 мм (длина — ширина — высота).

Масса блока должна быть не более 0,045 кг.

Показатели назначения Напряжение питания 5±0,25 В.

Ток, потребляемый предварительным усилителем сигнала датчика, не должен превышать 6,0 мА. Потребляемая от источника питания мощность 4.5 Вт.

Требования к надежности Средняя нормированная наработка на отказ предварительного усилителя сигнала датчика должны быть не менее 10 000ч.

Вероятность безотказной работы не менее 0,97 за 24 часа непрерывной работы.

Вероятность безотказной работы не менее 0,95 за 10 000 часов непрерывной работы.

Требования к уровню унификации и стандартизации В конструкции должны быть использованы стандартные, унифицированные и заимствованные сборочные единицы и детали.

Требования к безопасности По электробезопасности блок должен соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.025−76.

Специальных требований не предъявляется.

Эстетические и эргономические требования Внешний вид автомата должен удовлетворять требованиям современной эстетики Условия эксплуатации Предварительный усилитель сигнала датчика должен сохранять работоспособность при: температура от 0 єС до +40 єС;

Атмосферное давление: от 106,0−135,0 кПа (600…811 мм.рт.ст.);

Относительная влажность: 75−98%;

Дополнительные требования Изделие выполнено по возможности с использованием отечественной элементной базы с применением технологи монтажа на поверхности (SMD).

Требования к транспортировке и хранению Предварительный усилитель должен допускать транспортировку всеми видами транспорта.

Предварительный усилитель должен быть стойким при воздействии вибрации, находящейся в диапазоне частот 5−50 Гц, допустимой при перевозке Предварительный усилитель в процессе транспортирования должен быть стойким к воздействию температуры окружающей среды в соответствии с ГОСТ 16 350–80.

1.3 Конструктивные требования

Специальных требований не предъявляется.

Стадии разработки.

2. Конструкторский анализ ТЗ и схемы электрической принципиальной

2.1 Анализ ТЗ

Предварительный усилитель сигнала датчика предназначен для первичной обработки сигналов различных быстродействующих датчиков ИК диапазона, но может быть успешно использован и для работы с другими источниками широкополосных сигналов, имеющими выходное сопротивление 20…200 Ом. От подобных по назначению устройств этот усилитель выгодно отличается сочетанием малых собственных шумов, высокой температурной стабильностью параметров и широкой полосой пропускания.

Сфера использования весьма разнообразна: предварительное усиление сигнала датчиков оптических, беспроводных, в малопотребляющем датчике дыма.

2.2 Описание электрической принципиальной схемы

Первая ступень принципиальной схемы предварительного усилителя образована транзисторами VТ3 и VТ4 в каскадном включении с последовательным питанием. Конденсатор СЗ — разделительный. Транзисторы VТ1.1, VТ1.2, VТ2.1,VТ2.2 и резисторы R1, RЗ-R6 определяют режим работы ступени по постоянному току. Резистор R7 нагрузочный. Конденсаторы С2, C3 и резистор R2 формируют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя в нижнечастотной области, а верхнюю гpaничную частоту полосы пропускания определяет емкость конденсатора С4.

Рисунок 2.1.

Во второй ступени усилителя работает транзистор VТ5, нагрузкой которого служит резистор R8. Эмиттер этого транзистора соединен с общим проводом температурозависимой цепью, состоящей из резисторов R9, R10, диодов VD1-VDЗ и транзистора VТ2.2. Коэффициент усиления напряжения ступени определяется отношением сопротивления резистора R8 к эквивалентному сопротивлению этой цепи.

Если под воздействием каких-либо дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры окружающей среды, увеличился (или уменьшился) ток через транзисторы VТЗ, VТ4, то уменьшится (увеличится) ток базы и ток эмиттера транзистора VТ5. Это вызовет уменьшение (увеличение) тока, протекающего через «токовые зеркала» VТ2.1 VТ2.2R10 и VТ1. 1 VТ1.2R1RЗ, а также через делитель напряжения R4-R6. В результате уменьшится (увеличится) ток базы, а следовательно, и ток эмиттера транзисторов VТЗ, VТ4, возвращаясь к своему первоначальному значению. Благодаря действию такой ОС стабилизируется работа первой и второй ступеней усилителя по постоянному току.

Третья (выходная) ступень усилителя представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VТ6. Транзистор VТ7.1 «токового зеркала» VТ7.1VТ7.2R12.

служит источником тока для транзистора VТ6. Источник тока в эмиттерной цепи транзистора VТ6 обеспечивает высокую нагрузочную способность выходной ступени. Конденсатор С5 корректирует АЧХ ступени в ее верхнeчастотной области.

Резистор R11 создает отрицательную ОС между второй и третьей ступенями усилителя, повышающую стабильность eгo работы. Конденсаторы С1, С6 и резистор R1З — элементы фильтра в цепи питания.

2.3 Конструкторский анализ

2.3.1 Максимальные и минимальные характеристики элементов

Минимальная площадь и объем установки имеют транзисторы КТ3106А9 (0.075, 0.825).

Максимальная площадь и объем установки имеет конденсатор К53−56 47мкф x 10 В (0,3195, 0.8 946).

Для сборки с использованием SMD компонентов минимальную площадь и объем установки имеют ЧИП КОНДЕНСАТОР 0805 270 пкф (0.0250,325.

Для сборки с использованием SMD компонентов максимальную площадь и объем установки имеет транзистор КТС393А9 (0.2, 0.04).

2.3.2 Расчет характеристик для элементной базы, описанной в таблице 2.1

1) Расчет массы конструкции Ориентировочная плотность конструкции:

Исходя из этого, выберем коэффициент дезинтеграции по массе.

2) Расчет общей интенсивности отказа Интенсивность отказа резисторов:

Интенсивность отказа конденсаторов:

1/ч Интенсивность отказа диодов:

1/ч Интенсивность отказа транзисторов:

1/ч Общая интенсивность отказа:

1/ч.

3) Расчет плотности конструкции.

4) Расчет коэффициента дезинтеграции по площади.

5) Расчет коэффициента дезинтеграции по объему Расчет характеристик для элементной базы, описанной в таблице 2.2.

1) Расчет массы конструкции г.

2) Расчет общей интенсивности отказа Интенсивность отказа резисторов:

1/ч Интенсивность отказа конденсаторов:

1/ч Интенсивность отказа диодов:

1/ч Интенсивность отказа транзисторов:

1/ч.

Общая интенсивность отказа:

1/ч.

3) Расчет плотности конструкции.

4) Расчет коэффициента дезинтеграции по площади.

5) Расчет коэффициента дезинтеграции по объему.

2.3.3 Расчет относительных показателей

1) Расчет коэффициента уменьшения масс.

2) Расчет плотности упаковки по объему.

2.4 Обоснование выбора элементной базы

Таблица 2.1 — Сравнение характеристик качества конструкции РЭС.

Из полученных результатов видно, что использование новой элементной базы приведет к снижению массы и объема конструкции. Устройство, спроектированное на SMD элементах, будет иметь меньшую интенсивность отказа, а значит, будет более надежным. Обобщив рассчитанные характеристики можно сделать вывод о том, что для конструирования данного устройства лучше использовать SMD элементы.

3. Разработка конструкции печатной платы

3.1 Расчет площади печатной платы

Площадь печатной платы, необходимую для одностороннего размещения радиоэлементов, находят по формуле:

.

Где — коэффициент дезинтеграции по площади, — установочная площадь i-го радиоэлемента, nчисло радиоэлементов.

Коэффициент дезинтеграции площади обычно полагают равным 2…2,5.

Установочные площади определяют по справочным данным на радиоэлементы (таблица 2.2).

3.2 Типоразмер печатной платы

Размеры печатной платы должны соответствовать ГОСТ 10 317–79. Максимальное соотношение сторон печатной платы допускается 3 к 1. Предпочтительны платы прямоугольной формы, печатные платы другой формы необходимо обосновывать. Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратны:

2.5 — до 100 мм;

5 — до 350 мм;

10 — более 350 мм.

Рассчитанная площадь печатной платы конструируемого устройства слишком мала и не удовлетворяет площадям для типоразмеров, представленных в ОСТ 4 ГО.010.009. Минимальный размер печатной платы по этому стандарту составляет 135×110, выбор такой платы приведет к неоправданному увеличению размера конструкции, объем устройства превысит объем, указанный в ТЗ. Следовательно, необходимо использовать оригинальные размеры печатной платы.

Исходя из рассчитанной площади устройства, выберем размеры: 25×20 мм, что соответствует.

Данная плата соответствует ГОСТ 10 317–79, позволяет разместить на себе все элементы и будет удовлетворять условиям, оговоренным в ТЗ.

3.3 Размеры краевых полей

Ширина краевых полей и выбирается из условия.

Краевое поле предназначено для размещения вилки (розетки) электрического соединителя или контактных площадок для пайки проводников внутриблочных электрических соединений. В поле могут устанавливаться передняя панель ячейки, контрольная колодка, металлический угольник и др. Поэтому ширина полей и нужно определять геометрическими размерами перечисленных элементов. Но наше устройство представляет собой РЭМ-1 (ячейка, плата), поэтому размеры краевых полей y1 и y2 выбираем минимальными.

Исходя из справочных данных, выбираем:

3.4 Тип печатной платы

Выбор материала печатной платы производится в соответствии с ГОСТ 10 316–78.

Двухсторонние печатные платы выше, чем односторонние, к тому же процесс их изготовления занимает большее время. При конструировании данного устройства ограничимся односторонней печатной платой, изготовленной с использованием фольгированного стеклотекстолита (СФ-1−35) с толщиной фольги.

3.5 Класс точности

В соответствии с ГОСТ 23 751–86 предусмотрено 5 классов точности. Наименьшее номинальное значение основных размеров элементов конструкции печатных плат и гибких печатных кабелей для узкого места в зависимости от класса точности приведены в таблице 3.1, где t — минимальная ширина проводников, S — минимальное расстояние между проводниками, b — ширина контактной площадки, — отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

Таблица 3.1.

Для свободного места указанные значения допускается увеличивать по любому более низкому класса, а для первого класса увеличивать в 2 раза.

При обосновании класса точности печатной платы следует учитывать, что трудоемкость изготовления платы 4го класса (односторонней) примерно на порядок выше платы 1го класса точности. Выбор класса точности всегда связан с конкретным производством.

Изготовление печатных плат 5го класса требует применения высокоточного оборудования, специальных (как правило, дорогих) материалов, создания в производственных помещениях «чистой» зоны с термостатированием. Для печатных плат 4го класса точности также необходимо использовать высокоточное оборудование, но требования к материалам ниже, чем в 5 классе.

Выпуск печатных плат 1го и 2го класса осуществляется на рядовом оборудовании, а иногда даже на оборудовании не специализированном. Такие печатные платы с невысокими конструктивными параметрами предназначены для недорогих устройств с малой плотностью монтажа. К этому классу относятся печатные платы любительского и макетного уровня.

Исходя из этого, выберем 3й класс точности печатной платы, который не требует высокоточного оборудования и дорогих материалов, но в тоже время позволяет произвести печатные платы уровня выше любительского.

Соответственно наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции будут следующими:

3.6 Толщина печатной платы

Определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и внешних механических воздействий. Для односторонних печатных плат рекомендуется использовать материалы толщиной 0.8;1;1.5;2 мм.

3.7 Группа жесткости

Группу жесткости выбирают, опираясь на ГОСТ 23 752–79.

Выбираем первую группу жесткости, так как именно она удовлетворяет всем условиям, указанным в ТЗ.

3.8 Размещение навесных элементов

Навесными элементами в конструируемом устройстве являются:

— Три диода КД522А.

— Четыре транзистора КТ3106А9.

— Транзисторные сборки КТС393А9, КТС398А94 и 2ТС398А94.

Размещение производится в соответствии с ОСТ 4.ГО.010.009 и должно соответствовать требованиям функциональной ячейки и блока. Вариант установки радиоэлементов на плату определяется условиями эксплуатации, степенью автоматизации сборки и другими требованиями и рекомендациями, изложенными в ГОСТ 29 137–91,.

ОСТ 45.010.030−92, ОСТ 4.010.030−81.

3.9 Расчет минимального диаметра отверстий

Отверстия могут быть:

— Металлизированные.

— Неметаллизированные (гладкие) По назначению могут быть:

— Монтажные.

— Переходные (обеспечивают электрические соединения между слоями печатной платы) Поскольку в конструкции используется односторонняя однослойная печатная плата, то отверстия будут монтажными. Для улучшения качества электрических соединений отверстия так же следует металлизировать.

Минимальный диаметр монтажного отверстия определяется в соответствии с ГОСТ 27 751–88, где — диаметр вывода ЭРЭ; - зазор между поверхностью вывода и поверхностью отверстия (0.4…0.6мм); - толщина гальвонически осаждаемой меди (0.05…0.06мм); - погрешность диаметра отверстия (0.12мм).

Диаметр монтажных металлизированных отверстий выбирается из ряда:

0.4мм…1.8мм…(с шагом 0.2мм).

В соответствии с этим выбираем диаметр, равный.

3.10 Расчет минимальной ширины проводника

Минимальная ширина проводников является определяющим фактором, влияющим на трассировочную способность печатной платы.

Для полученного значения ширины проводников необходимо выполнить проверку.

Условие выполняется, следовательно полученная ширина проводников является допустимой.

4. Разработка конструкции РЭС

4.1 Расчет размеров корпуса

Конструируемое устройство состоит из одной печатной платы. Корпус будет являться прямоугольным параллелепипедом.

Длина корпуса:

— длина печатной платы (25 мм).

— величина зазора между печатной платой и стенкой корпуса, необходимая для нормальной конвекции (1мм).

— толщина боковой стенки корпуса (2мм).

Ширина корпуса:

— ширина печатной платы (20 мм).

— толщина боковой стенки корпуса (2мм).

— величина зазора между печатной платой и стенкой корпуса, необходимая для нормальной конвекции (1мм).

Высота корпуса:

— высота печатной платы (1.5мм).

HБ — толщина бобышек, на которые устанавливается плата (5 мм).

— толщина верхней и нижней стенки корпуса (3мм).

— величина зазора между печатной платой и стенкой корпуса, необходимая для нормальной конвекции (1мм).

— высота диода.

Внешние размеры корпуса: 31×26×17.2мм.

Внутренние размеры корпуса: 27×22×6.2мм.

Площадь наружной поверхности корпуса:3572.8мм2.

Площадь внутренней поверхности корпуса:1795.6мм2.

4.2 Выбор типа конструкции и компоновочной схемы блока

Конструируемое устройство будет эксплуатироваться в жилых отапливаемых помещениях. Устройство должно быть выполнено в корпусе с горизонтальным расположением функциональных ячеек.

4.3 Проверка выполнения требований ТЗ к конструкции блока

Спроектированная конструкция имеет габаритные размеры, равные: 31×26×17.2мм и массу, равную: 23.276 г. Заданные в ТЗ параметры соответственно равны: 403 020 мм и 45 г, следовательно, разработанное устройство удовлетворяет требованиям ТЗ.

5. Расчет показателей качества конструкции

5.1 Выбор системы охлаждения

Расчеты, необходимые для правильного выбора необходимой системы охлаждения конструируемого устройства проводятся на основе следующих исходных данных:

— Потребляемая от источника питания мощность.

— Площадь поверхности теплообмена конструкции.

— Допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента.

— Максимальная температура окружающей среды.

— Минимальное давление окружающей среды.

— Коэффициент полезного действия.

С помощью потребляемой от источника мощности и площади поверхности теплообмена конструкции можно рассчитать тепловой поток, рассеиваемый поверхностью теплообмена конструкции :

Площадь поверхности была рассчитана на этапе разработки конструкции РЭС.

Используем эти данные для расчета поверхностной плотности теплового потока:

Система охлаждения конструкции определяется по следующим графикам (рис. 5.1):

Рисунок 5.1.

Где рассчитанные нами и являются координатами. По полученной точке (в зависимости от зоны, в которой она находится) делают вывод о необходимой системе охлаждения. В данном случае точка лежит в первой зоне, что означает: конструкции будет достаточно естественного воздушного охлаждения.

5.2 Тепловое моделирование и расчет теплового режима конструкции РЭС с источниками тепла, распределенными в плоскости

Тепловой режим разрабатываемой конструкции должен соответствовать требованию нормального теплового режима: температура в любой точке конструкции не должна превышать допустимой рабочей температуры наименее теплостойкого элемента.

Данный прибор включает в себя одну плату, размещенную в корпусе, следовательно, источники тепла будут распределены в одной плоскости. Нагретая зона представляет собой плоскость, занимаемую функциональной ячейкой. Самая «горячая» точка конструкции — центр нагретой зоны.

Схематическое изображение конструкции приведено на рис. 5.2.

датчик сигнал усилитель плата Рисунок 5.2.

Функциональная ячейка (нагретая зона) 2 размещена в корпусе 1 и закрепляется в корпусе с помощью бобышек 3.

При построении тепловой модели принимаем следующие допущения:

— нагретая зона является однородным анизотропным телом;

— источники тепла в нагретой зоне распределены равномерно;

— поверхности нагретой зоны и корпуса — изотермические со среднеповерхностными температурами, , соответственно.

Тепло от центра нагретой зоны с температурой теплопроводимостью (эквивалентная тепловая проводимость выводится на поверхность нагретой зоны.

С поверхности нагретой зоны посредством конвективной и лучевой теплопередачи через воздушные прослойки, теплопроводностью контакта нагретая зона — установочные элементы () и самих установочных элементов () тепло передается на внутреннюю поверхность корпуса блока. За счет теплопроводности стенок тепло выводится на наружную поверхность корпуса, откуда конвекцией и излучением передается в окружающее пространство.

Тепловая схема, отражающая процесс теплообмена в конструкции, приведена на рис. 5.3.

Рисунок 5.3.

Критерием оценки теплового режима конструкции является температура в центре нагретой зоны, величину которой сравнивают с допустимыми значениями температуры, входящих в блок элементов.

Конвективный и лучевой коэффициенты определяются по номограммам (рис. 5 и рис. 6).

Рисунок 5.4.

В результате получим конвективный коэффициент Вт/м2С Рисунок 5.5.

В результате получим лучевой коэффициент.

Лучевой коэффициент необходимо пересчитать с учетом реальной степени черноты поверхности теплообмена.

— лучевой коэффициент, полученный по номограмме;

— степень черноты поверхности корпуса, покрытого черным лаком;

— степень черноты поверхности теплообмена на номограмме.

Условие выполнено, следовательно, не требуется следующих итераций.

Площадь наружной поверхности корпуса: мм2.

Площадь внутренней поверхности корпуса: 1795.6 мм2.

Расчет теплопроводимостей:

1) Тепловая проводимость между нагретой зоной и внутренними стенками корпуса.

Таблица 5.1 — Значения поправочных коэффициентов на конвективный теплообмен.

0.6 для температуры 35о С.

lср = 0.221м.

2) Тепловая проводимость теплопередачи от нагретой зоны к внутренней стенке корпуса излечением.

Для условий теплообмена в ограниченном пространстве коэффициент излучения может быть принят.

3) Тепловая проводимость контакта между нагретой зоной и установочными элементами.

4) Тепловая проводимость установочных элементов.

(сталь конструкционная 45…50).

5) Тепловая проводимость стенок корпуса.

(поликор 25…38).

мм.

6) Тепловая проводимость от наружной поверхности корпуса к среде для конвективной теплопередачи.

7) Тепловая проводимость от наружной стенки корпуса к среде для теплопередачи излучением.

Расчет температур:

1) Среднеповерхностная температура на внешней поверхности корпуса.

2) Среднеповерхностная температура на внутренней поверхности корпуса.

3)Температура на поверхности рабочей зоны.

Температура на поверхности рабочей зоны не превышает предельно допустимых температур элементов и отличается от средней температуры окружающей среды на 2 градусов, следовательно, будем считать, что выбранная конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим.

5.3 Оценка вибропрочности конструкции

Конструкция считается вибропрочной, если в ней отсутствуют механические резонансы, а допустимая виброперегрузка на резонансной частоте превышает перегрузку, указанную в техническом задании на изделие.

Отсутствие в конструкции механических резонансов характеризуется соотношением частоты свободных колебаний любого элемента конструкции и верхней частоты диапазона внешних вибрационных воздействий: .

Оценка вибропрочности конструкции сводится к расчету частоты свободных колебаний и допустимой величины виброперегрузки.

Функциональную ячейку на печатной плате, жестко закрепляемую в разъемах по бокам, представляем расчетной моделью пластины, равномерно нагруженной элементами, со свободным отпиранием всех сторон.

Расчетная модель для оценки вибропрочности конструкции представлена на рис. 5.5.

Рисунок 5.5.

Принятый способ закрепления обосновывается тем, что при изгибных колебаниях основного тона вдоль каждой из сторон пластины укладываются полволны, узлы перемещения совпадают с точками крепления платы. Поэтому наличие точек закрепления не сказывается на параметрах колебаний.

Основной расчетной моделью планарных конструкций служит прямоугольная пластина при определенных условиях на сторонах. Частота свободных колебаний основного тона прямоугольной пластины определяется по формуле:

=, Гц где С=76 — частотная постоянная; h=1.5мм — толщина пластины; а=25мм — большая сторона пластины; - поправочный коэффициент на материал пластины, здесь Па, Па — модули упругости материала пластины (СФ-1−35) и стали, = 1,85 г/см3, с = 7,82 г/см3 — плотности материала пластины и стали, — поправочный коэффициент на нагружение пластины равномерно размещенными на ней элементами, =2.68г.- масса элементов; - масса пластины.

Из расчетов видно, что, так как, и, так как 1448.665 (при 50Гц). Следовательно, выбранный вариант конструкции вибропрочен.

5.4 Расчет надежности блока по внезапным отказам

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

К качественным показателям надежности относят:

безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Отказом называется такое событие, при котором происходит частичная или полная потеря работоспособности изделия. Отказы делятся на:

постепенные, которые вызываются постепенным изменением параметров элементов схемы и конструкции (старение элементов);

внезапные, которые проявляются в виде скачкообразного изменения параметров аппарата (например, перегорание резистора, пробой конденсатора и т. д.).

ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в том, что изделие приспособлено:

к предупреждению возможных причин возникновения отказа;

к обнаружению причин возникшего отказа или повреждения;

к устранению последствий возникшего отказа или повреждения путем ремонтов или технического обслуживания;

— долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельно состояния при условии выполнения установленных требований по техническому обслуживанию и ремонту. Предельное состояние изделия — это такое состояние, при котором его дальнейшее применение по назначению или же восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно;

— сохраняемость — свойство изделия непрерывно находиться в исправном состоянии при хранении или транспортировании.

К количественным показателям надежности относят:

— интенсивность отказов показывает, какая доля элементов данного типа в среднем выходит из строя за 1 час работы. Она определяется на основании экспериментов и выражается формулой:

.

где — число отказавших изделий в интервале времени; - среднее число изделий, непрерывно работающих в интервале времени ;

.

где — количество изделий, исправно работающих в начале интервала; - количество изделий, исправно работающих в конце интервала .

Интенсивность отказов изделия, состоящего из различных элементов, определяют как:

.

где ,…, — интенсивности отказов первого, второго и n-ого элементов изделия.

— вероятность безотказной работы показывает, какая часть изделий будет исправно работать в течение заданного времени tр (). Вероятность безотказной работы по статическим данным, полученным в результате испытаний аппаратуры, выражается формулой:

.

где — количество изделий, исправно работающих в начале испытания; - количество изделий, отказавших за время t.

Вероятность безотказной работы подчиняется закону распределения интенсивности отказов.

.

где — основание натуральных логарифмов; tр — интервал работы;

— вероятность отказа — вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени возникнет хотя бы один отказ:

.

где — вероятность безотказной работы.

и события несовместимые и противоположные.

— средняя наработка до первого отказа — математическое ожидание времени работы изделия до первого отказа:

где — интенсивность отказов изделия.

Расчет надежности будем выполнять на основе логической модели безотказной работы блока. При составлении модели полагаем, что отказы элементов независимы, а элементы и блок в целом могут находиться в одном из двух состояний: работоспособным или неработоспособным. Поскольку в ТЗ не предъявляются требования к резервированию, то используем последовательную схему надежности, когда отказ любого элемента приводит к отказу блока.

Для последовательной логической схемы надежности.

.

где — эксплуатационное значение интенсивности отказов i-го элемента, учитывающее внешние воздействия, влияние тепловых и электрических нагрузок элементов, n — число элементов.

Заключение

В курсовом проекте нами была разработана конструкция предварительного усилителя сигнала датчика и конструкторская документация на данный прибор.

В ходе выполнения конструкторского анализа было доказано, что SMD-элементная база является более эффективной и обладает лучшими характеристиками. Расчет системы охлаждения показал, что для спроектированного прибора будет достаточным естественное охлаждение. Рассчитанная надежность значительно превышает надежность, указанную в техническом задании, что можно использовать для снижения стоимости конструкции в целом.

Использование SMD элементов привело к значительному уменьшению объема и массы конструкции, что говорит о том, что поставленные на разработку цели были достигнуты в полной мере.

Используемая литература

1. Основы конструирования и технологии РЭС: учебное пособие для курсового проектирования / В. Ф. Борисов, А. А. Мухин, В. В. Чермошенский и др.- М.: МАИ, 2000. — 128 с.

2. Конструирование радиоэлектронных средств / В. Ф. Борисов, О. П. Лавренов, А. С. Назаров, А. Н. Чекмарев; Под ред. А. С. Назарова. — М.: МАИ, 1996. — 380 с.

3. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов / Е. М. Парфенов, Э. Н. Камышная, В. П. Усачев. — М.: Радио и связь, 1989. — 272 с.

4. Гимпельсон В. Д., Радионов Ю. А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники. М.: Машиностроение, 1976.

5. Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989. — 463 с.

6. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Э. Т. Романычева, А. К. Иванова, А. С. Куликова и др.; Под ред. Э. Т. Романычевой. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1989. — 448 с.

7. ГОСТ 21 392–79. Изделия электронной техники для устройства широкого применения: механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения.

8. ОСТ 107.460 084.200−88. Микросборки. Общие требования и нормы конструирования.

9. ОСТ 11.073.002−75. Микросхемы интегральные гибридные. Подложки и платы.

10. ОСТ 11.0.000.028−73. Микросхемы интегральные. Правила выполнения конструкторской документации.

11. ОСТ 4.ГО.010.009. Аппаратура радиоэлектронная. Блоки и ячейки на микросборках и микросхемах. Конструирование.

12. ОСТ 4.ГО.014.000. Покрытия металлические и неметаллические органические. Выбор. Область применения и свойства.

13. ОСТ 4.ГО.029.204. Клеи. Выбор, свойства и область применения.

14. ОСТ 4.ГО.029.207. Материалы неорганические (стекло, керамика, ситаллы). Руководство по выбору.

15. ОСТ 4.ГО.054.204. Микросборки тонкопленочные. Типовые технологические процессы.