Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Гомельский государственный дорожно-строительный техникум имени Ленинского комсомола Белоруссии»

Специальность: 2 400 202

Пояснительная записка к дипломному проекту

НА ТЕМУ: «Разработка энергосберегающей системы с использованием альтернативных источников энергии»

Разработал учащийся: И.С. Симоненко

Руководитель дипломного проекта: Д.С. Минин

Руководитель цикловой комиссии: Кривицкий А.В.

Руководитель экономической части: Исакович О.В.

Гомель 2007

1. Расчётно-проектировочный раздел

1.1 Назначение и область применения устройства

1.2 Разработка структурной схемы

1.3 Разработка функциональной схемы

1.4 Разработка принципиальной схемы

1.4.1 Расчёт узлов и блоков

1.4.2 Выбор элементной базы

1.4.3 Описание принципа действия (схемы

1.4.4 Расчёт потребляемой мощности

2 Конструкторско-технологический раздел

2.1 Разработка печатной платы

2.2 Выбор способа изготовления печатной платы

2.3 Компоновка устройства

2.4 Поиск и устранение неисправностей

3 Экономический раздел

4 Охрана труда

5 Энергои материалосбережение

6 Охрана окружающей среды Заключение Список используемых источников Приложения

Разработка дипломного проекта является завершающим этапом обучения в техникуме, который показывает, какого уровня специалист подготовлен в результате обучения. Это сложная многогранная работа, требующая проявления знаний во всех дисциплинах, изученных во время учебы в техникуме. Дипломный проект должен отражать направленность обучения и быть применим в процессе обучения следующих поколений учащихся.

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органического топлива (уголь, нефть, газ) и атомной энергии, относящихся к невозобновляемым источникам энергии. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 году может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии — солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков, относящихся к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. Одним из наиболее используемых нетрадиционных источников энергии является ветровая энергия. Потенциальные возможности ветровой энергии в год составляют 1% от годовой солнечной энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Если даже использовать хотя бы 10% (что вполне реально и экономически оправдано) этой энергии, то это примерно равно количеству электроэнергии вырабатываемой на всем Земном шаре. К стратегическим целям использования ветровых источников энергии являются:

1. Сокращение потребления невозобновляемых ресурсов.

2. Снижение экологической нагрузки.

3. Увеличение числа децентрализованных потребителей.

4. Обеспечение децентрализованных потребителей.

5. Снижение расходов на дальнепривозное и сезонное топливо.

Необходимость развития ветровой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:

1. Обеспечение устойчивого теплои электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения.

2. Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений.

3. Снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.

Известно, что основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той или иной степени связанных друг с другом. В северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6−8 м/сек. Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с.

Для преобразования ветрового потока в электрическую энергию используют ветродвигатели в соединении с электрогенератором — ветроэнергетические установки или ветрогенераторы. Принцип действия всех ветрогенераторов один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу ветрогенератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса ветрогенератора, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает ветрогенератор.

На земле еще не мало мест, куда не дошла электроэнергия по столбам и подземным кабелям. В таких местах обычно стоят дизельные или бензиновые двигатели и вырабатывают электроэнергию. Эти установки превращают в дым тысячи тонн дизельного топлива или бензина, а вырабатываемая ими электроэнергия получается разы и десятки разы дороже электроэнергии вырабатываемой крупными электростанциями. Большинство таких мест имеют довольно высокий ветровой потенциал, и применение автономных ветрогенераторов совместно с тепловыми двигателями дало бы существенную, достигающую до 90%, экономию углеводородного топлива.

Главным преимуществом автономных ветрогенераторов является возможность вырабатывания электроэнергии вне зависимости от сети. В целом, ветрогенераторы работают подобно дизель-электростанциям, только не сжигают топлива.

У ветрогенератора классического типа есть ряд особенностей: ветроколесо расположена за башней ветрогенератора относительно ветра. Ветроколесо ветрогенератора автоматически разворачивается относительно ветрового потока так, чтобы оптимальным путем использовать его энергию, а поворотом лопастей поддерживается постоянные обороты во всем рабочем диапазоне скоростей ветра. С помощью применения таких технических решений и инноваций в наших ветрогенераторах, нам удалось достигнуть практически предельных значений коэффициента использования ветровой энергии ветро-энергетическими установками.

1 Расчётно-проектировочный раздел

1.1 Назначение и область применения

В настоящее время, когда потребителей энергии становится всё больше и больше, технологии становятся на путь понижения потребляемой мощности и увеличиваются разработки альтернативных источников энергии не загрязняющих окружающую среду. Сейчас можно увидеть ветряные электрогенераторы, использующие энергию ветра и преобразующие её в электрическую; биологические электростанции которые преобразуют энергию разложения органический веществ в электрическую. Но иногда когда энергии таких источников не хватает, и чтобы не было перебоев и скачков напряжения, то приходится переключаться на питание от стационарной сети. Для этих целей и предназначена тема моего исследовательского диплома.

Данное устройство предназначено для работы в составе ветряной электростанции средней мощности. Устройство реагирует на изменение напряжения на генераторе и, когда его не хватает, для питания потребителей переключает их на стационарную сеть. Также данное устройство реагирует на изменения тока протекающего в цепи нагрузки: когда ток в цепи нагрузки увеличивается до максимального тока, который может дать генератор, устройство переключает потребителей на стационарную сеть. И переключается обратно на генератор при восстановлении контролируемых параметров.

Данное разрабатываемое устройство предназначено для работы в различных бытовых и стационарных условиях. Оно способно работать в широком диапазоне температур и способно коммутировать цепь с сетевым напряжением 230 В и током в 28А, эти параметры максимальные, которые может выдавать генератор СГВМ16-У1 в течении длительного времени, по индивидуальному заданию.

1.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема определяет основные части изделия и связи между ними. Она лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей и блоков, определяет основные части устройства и служит лишь для общего ознакомления с изделием.

Составные части проектируемого устройства изображаются упрощённо в виде прямоугольников произвольной формы и внутри каждого указывается наименование блока, узла.

Структурная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.

В основе данного устройства находится устройство сравнения. Оно следит за напряжение на генераторе и величиной тока в цепи нагрузки; и сравнивает их с эталонными или опорными значениями, которые также можно подбирать в небольших пределах. Для работы устройства требуется датчик напряжения на генераторе. Он предназначен для слежения за генератором: когда напряжение достаточное для питания потребителей, устройство подключает потребителей к генератору, а когда напряжение падает и его не достаточное для питания, то устройство переключает потребителей на стационарную сеть. Также для данного разрабатываемого устройства требуется датчик тока. Он следит за током в цепи потребителей: когда ток потребления увеличивается, и генератор не способен поддерживать стабильный режим работы, то устройство также переключает потребителей на стационарную сеть; и обратно, если ток падает и с генератора способен давать энергию без перебоев.

Блок опорного напряжения предназначен для задания эталонных значений контролируемых параметров и подстройки, устройства управления блоком переключателей, на точный режим работы и под конкретные значения максимального тока и напряжения которые может поддерживать генератор в условиях длительного времени работы. Блок индикации предназначен для контроля работы за устройством управления и источника питания потребителей: сеть или генератор. Блок питания, для запитывания разрабатываемого устройства подключён выходу устройства, т.к. на выходе устройства напряжение есть всегда, или от генератора или от сети.

1.3 Разработка функциональной схемы

Для работы разрабатываемого устройства потребуется два датчика: датчик тока, для контроля потребителей; и датчик напряжения, для контроля генератора. Датчик напряжения: пропорционально уменьшает выходное напряжение генератора, для возможности его сравнения его с опорным напряжением. Это напряжение находится в районе 1 — 1,5 В. Датчик тока: преобразует определённую величину тока в соответствующее напряжение на его выходе, для сравнения со вторым опорным напряжением. Это напряжение, при максимальном значении тока в цепи, находится в районе 1 В.

На устройство управления подается опорное напряжение для сравнения с подаваемым напряжением, взятое с датчика напряжения. Одновременно с этим напряжением на устройство сравнения подаётся второе опорное напряжение для сравнения с напряжением, взятым из датчика тока.

Блок переключателей подключён к блоку управления с помощью оптронов, для гальванической развязки высокого напряжения сети с низкими напряжениями в основной схеме.

Блок индикации совмещён с устройством управления и показывает, что происходит в определённые моменты времени: нет напряжения на генераторе, большой ток в цепи потребления, нормальный режим работы, работу блока питания.

1.4 Разработка принципиальной схемы

1.4.1 Расчёт узлов и блоков

Принципиальная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.

Для работы устройства сравнения требуется опорное напряжение не высокого потенциала. Первое опорное напряжение берётся со светодиода, ток через которые стабилизируется полевым транзистором. Для корректного зажигания светодиода требуется ток в 10мА, тогда на нём выделяется напряжение 2 В. Конкретный транзистор для стабилизации тока выбирается по сток-истоковой вольтамперной характеристике. Второе опорное напряжение берётся из такой же конструкции, но вместо светодиода в истоковую цепь обычный диод. В данном случае ГД508А: падение напряжения на диоде 0,7 В при токе в 10мА, что позволяет использовать одинаковые транзисторы в двух источниках опорного напряжения. Исходя из вышеописанного, и после сравнения сток-истоковых характеристик, мною выбран транзистор КП303А, у него наблюдается не значительное изменение тока стока в диапазоне 7 — 15 В.

Блок переключателей выполнен на симисторах включённых по стандартной схеме включения, и со стандартными наборами подключаемых элементов. Симисторы должны выдерживать максимальное действующее напряжение в схеме и максимальный расчётный ток:

U_max = v2 • 230 = 322 В;

I_max = 30 А.

Блок, содержащий в себе датчик напряжения, выполнен на основе резисторного делителя напряжения, подключённого к выпрямителю. От выпрямителя не требуется больших мощностей, т.к. он практически не несёт нагрузки, ток выпрямления настолько мал, что сюда подойдут практически любые диоды способные выдержать напряжение сети 220 В. Резисторы делителя выбираются отталкиваясь от опорного напряжения в 2 В. Делитель состоит из трёх резисторов токоограничивающего, подстроечного и ограничительного. Они все рассчитываются на основе закона Ома:

R_то = U / I,

примем величину протекающего в делителе тока 2мА, тогда общее сопротивление делителя будет:

R_общ = 230 / 0.002 = 115 000 (Ом)? 120кОм, величина сопротивления с которого будет сниматься контролируемое напряжение будет составлять (по закону Ома):

R = 2 / 0.002 = 1000 (Ом)? 1кОм.

Параллельно с ним включён конденсатор ёмкостью 1мкФ для сглаживания пульсаций на выходе датчика.

Блок датчика тока выполнен на основе резистора очень маленького сопротивления из-за того, чтобы не вносить потерь в цепь питания потребителей. Для того чтобы напряжение на выходе этого датчика было постоянным резистор включён в разрыв цепи диодного моста, который включён последовательно с потребителями. Данное включение диодного моста позволяет добиться минимальных потерь в цепи питания и материальных затрат компоненты. Данный диодный мост должен выдерживать максимальный ток в цепи (28А) и напряжение сети (230В). Сопротивление резистора с которого снимается напряжение сравнения 0,7 В при максимальном протекающем в цепи токе 28А (по закону Ома):

R_Д = 0.7 / 28 = 0.025 (Ом),

Р_Д = U • I = 0.7 • 28 = 19.6 (Вт)? 20Вт.

Такой резистор можно составить из четырёх отдельных резисторов сопротивлением 0,1Ом и мощностью 5Вт. Для сглаживания пульсаций напряжения, параллельно с этим резистором включён конденсатор ёмкостью в 1мкФ.

Блок устройства управления состоит из двух операционных усилителей включённых в качестве компараторов. Для ограничения тока, оптронов и светодиодов включённых попарно, и для стабильной их работы сопротивления резисторов (по закону Ома):

R_н = 4 / 0,01 = 400 (Ом),

резистор выбираем из стандартного набора, сопротивлением 470Ом. Переключающий транзистор выбирается из маломощных способных выдержать данный ток транзисторов, имеющих относительно не дорогую стоимость, а также обладающих хорошей помехозащищённостью.

Блок питания состоит из параметрического стабилизатора напряжения со стандартным набором деталей. А так как мощность потребляемая устройством не выходит за пределы 40 мА, то стабилизатор должен быть рассчитан на данный ток.

1.4.2 Выбор элементной базы

Любое устройство вычислительной техники на низшем конструктивном уровне содержит следующие элементы: микросхемы, полупроводниковые приборы, резисторы, конденсаторы, коммутационные элементы и так далее.

Выбор конкретных элементов для построения проектируемого устройства производится после анализа множества взаимосвязанных факторов. Всю совокупность факторов, влияющих на принятие решения, можно разбить на группы по следующим признакам:

назначение и область применения проектируемого устройства;

заданные электрические характеристики, такие как рабочий диапазон частот, ограничение на потребляемую мощность, точность и стабильность характеристик и тому подобное;

условия эксплуатации: климатические и механические воздействия, квалификация обслуживающего персонала и тому подобное;

конструктивные показатели: требуемая надежность, ограничения на габаритные размеры и массу, заданные тепловые режимы, механическая прочность и так далее;

уровень развития и наличие элементной базы, возможности ее применения в данной конструкции;

организационно-производственные показатели: сроки, отведенные на конструирование, размер партии, серийность выпуска.

Сделав, анализ приведенных выше групп факторов с учетом состояния современного мирового уровня развития микроэлектронной и вычислительной техники, произведем выбор микросхемы и радиоэлектронных элементов разрабатываемого устройства. На основе выбора компонентов будем разрабатывать печатную плату.

Выбор компонентов будем производить из распространённых на рынке радиодеталей. Все резисторы МЛТ, кроме резистора для датчика тока он требуется большой мощности и обладающий повышенной жарои огнестойкостью. И поэтому я остановился на выборе недорогого резистора SQP-5W-0.1±5%. Конденсаторы оксидные типа К50−6. Транзисторы: в блоке опорного напряжения выбирается КП303А, по сток-истоковой вольтамперной характеристике, а в блоке управления транзистор КП501А. Диоды: в блоке датчика напряжения КД105Б, в блоке датчика тока КД2958А, стабилитрон в блоке питания Д814А рассчитанный на напряжение питания устройства 8 — 9 В. В блоке переключателей симисторы BTA41−600 (400B, 40A). Микросхема LM358N или советский аналог КР1040УД1А.

1.4.3 Описание принципа действия

Разрабатываемое мной устройство работает следующим образом:

На устройство управления, состоящее из двух компараторов, подаются два опорных напряжения и два напряжения с датчиков. На компаратор DA1.2 подаётся опорное напряжение 2 В со светодиода, ток через который ограничивается транзистором, включённым в качестве стабилизатора тока. И одновременно с этим светодиод сигнализирует о работе устройства. И одновременно с этим напряжение с датчика напряжения. Как только напряжение на генераторе начинает падать, срабатывает компаратор DA1.2 на его выходе появляется низкий уровень сигнала и загорается светодиод VD18 и оптрон соединённый с ним, в результате появления низкого уровня блокируются оптроны U1 и U2 и компаратор DA1.1, следящий за током в цепях потребителей, не сможет переключить свои оптроны. И устройство переключает потребителей на стационарную сеть. Резистор R12 сопротивлением 330кОм, включён в качестве положительной обратной связи, создаёт петлю гистерезиса порядка 2 В. Этот гистерезис предотвращает многократные переключения схемы в случае, когда напряжение генератора колеблется вблизи порогового уровня. Уменьшение этого резистора увеличивает величину этого напряжения, а увеличение — уменьшает.

На компаратор DA1.1 подаётся опорное напряжение 0.7 В и напряжение взятое с датчика тока. Напряжение берётся с резистора включённого последовательно с нагрузкой и когда мощность нагрузки возрастает, возрастает падение напряжения на резисторе и оно фиксируется компаратором. Когда это напряжение доходит до 0.7 В, что по расчёту соответствует максимальному току генератора в 28А, компаратор переключается и высоким уровнем открывает транзистор VT3 и включает диод VD17, а одновременно с этим выключается VD15 и оптрон U1. Которые открывают симистор VS2 и закрывают VS1. Резистор R11 сопротивлением 2МОм создаёт небольшую петлю гистерезиса.

1.4.4 Расчёт потребляемой мощности

Расчёт потребляемой мощности устройства необходимо производить для выбора конкретного источника питания или для расчётов энергосбережения.

Рассчитывая потребления мощности данного устройства нужно сложить все цепи которые включены параллельно источнику тока, в любой момент времени. В данном устройстве это блок опорного напряжения, один из трёх светодиодов и микросхема.

Рассчитаем потребляемую мощность:

P_max = (I_VD5 + I_VD6 + I_VD15 + I_DA) • U_пит ,

где I_VD5 — ток через диод VD5,

I_VD6 — ток через диод VD6,

I_VD15 — ток через диод VD15,

I_DA — ток потребляемый микросхемой,

U_пит — напряжение питания устрояства.

Таким образом мощность потребляемая устройством составляет:

P_max = (10 + 10 + 10 + 4) • 8 = 272 (мВт).

Из приведённого расчёта видно, что разработанное мной устройство имеет низкую потребляемую мощность. Данная мощность является оптимальной и соответствует предъявляемым к устройству требованиям.

2 Конструкторско-технологический раздел

2.1 Разработка печатной платы

При разработке различных устройств радиолюбители пользуются обычно двумя способами изготовления печатных плат — прорезанием канавок и травлением рисунка, используя стойкую краску. Первый способ прост, но непригоден для выполнения сложных устройств. Второй — более универсален, но порой пугает радиолюбителей сложностью из-за незнания некоторых правил при проектировании и изготовлении травленых плат.

Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 2:1 на миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм. При проектировании в масштабе 1:1 рисунок получается мелким, плохо читаемым и поэтому при дальнейшей работе над печатной платой неизбежны ошибки. Масштаб 4:1 приводит к большим размерам чертежа и неудобству в работе.

Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что соответствует шагу 2,5 мм на реальной плате (далее по тексту указаны реальные размеры). С таким шагом расположены выводы у большинства микросхем в пластмассовом корпусе, у многих транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее расстояние между отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это крайне необходимо.

В отверстия с шагом 2,5 мм, лежащие на сторонах квадрата 7,5×7,5 мм, удобно монтировать микросхему в круглом металлостеклянном корпусе. Для установки на плату микросхемы в пластмассовом корпусе, с двумя рядами жестких выводов, в плате необходимо просверлить два ряда отверстий. Шаг отверстий — 2,5 мм, расстояние между рядами кратно 2,5 мм. Замечу, что микросхемы с жесткими выводами требуют большей точности разметки и сверления отверстий.

Если размеры печатной платы заданы, вначале необходимо начертить ее контур и крепежные отверстия. Вокруг отверстий выделяют запретную для проводников зону с радиусом, несколько превышающим половину диаметра металлических крепежных элементов.

Далее следует примерно расставить наиболее крупные детали — реле, переключатели (если их впаивают в печатную плату), разъемы, большие детали и т. д. Их размещение обычно связано с общей конструкцией устройства, определяемой размерами имеющегося корпуса или свободного места в нем. Часто, особенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы.

Цифровые микросхемы предварительно расставляют на плате рядами с межрядными промежутками 7,5 мм. Если микросхем немного, все печатные проводники обычно удается разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проволочных перемычек, впаиваемых со стороны деталей. Попытки изготовить одностороннюю печатную плату для большего числа цифровых микросхем приводят к резкому увеличению трудоемкости разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих случаях разумнее перейти к двусторонней печатной плате.

Условимся называть ту сторону платы, где размещены печатные проводники, стороной проводников, а обратную — стороной деталей, даже если на ней вместе с деталями проложена часть проводников. Особый случай представляют платы, у которых и проводники, и детали размещены на одной стороне, причем детали припаяны к проводникам без отверстий.

Микросхемы размещают так, чтобы все соединения на плате были возможно короче, а число перемычек было минимальным. В процессе разводки проводников взаимное размещение микросхем приходится менять не раз.

Далее можно начинать собственно разводку. Полезно заранее измерить и записать размеры мест, занимаемых используемыми элементами. Резисторы МЛТ-0,125 устанавливают рядом, соблюдая расстояние между их осями 2,5 мм, а между отверстиями под выводы одного резистора — 10 мм. Так же размечают места для чередующихся резисторов МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25, либо двух резисторов МЛТ-0,25, если при монтаже слегка отогнуть один от другого (три таких резистора поставить вплотную к плате уже не удастся).

С такими же расстояниями между выводами и осями элементов устанавливают большинство малогабаритных диодов и конденсаторов КМ-5 и КМ-6, вплоть до КМ-66 емкостью 2,2 мкФ; не надо размещать бок о бок две «толстые» (более 2,5 мм) детали, их следует чередовать с «тонкими». Если необходимо, расстояние между контактными площадками той или иной детали увеличивают относительно необходимого.

При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне деталей осталось возможно меньшее число соединений. Это облегчит исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо, его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят лишь общий провод и провод питания, но подключать их нужно только к выводам питания микросхем. Проводники к входам микросхем, подключаемым к цепи питания или общему проводу, прокладывают на стороне проводников, причем так, чтобы их можно было легко перерезать при налаживании или усовершенствовании устройства.

Если же устройство настолько сложно, что на стороне деталей приходится прокладывать и проводники сигнальных цепей, позаботьтесь о том, чтобы любой из них был доступен для подключения к нему и перерезания.

При разработке радиолюбительских двусторонних печатных плат нужно стремиться обойтись без специальных перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки соответствующих выводов монтируемых деталей; выводы в этих случаях пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно некоторые детали подпаивать непосредственно к печатным проводникам.

При использовании сплошного слоя фольги платы в роли общего провода отверстия под выводы, не подключаемые к этому проводу, следует раззенковать со стороны деталей.

2.2 Выбор способа изготовления печатной платы

Применение печатных плат создаёт предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки электронной аппаратуры, повышает её надёжность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа.

Печатный монтаж — это нанесение на изоляционное основание тонких электропроводящих покрытий (печатных проводников), выполняющих функции монтажных проводов для соединения элементов схемы.

Печатные платы служат для размещения и закрепления элементов устройства на одном основании, а печатный монтаж обеспечивает связь между этими элементами в соответствии с принципиальной схемой устройства.

Наряду с традиционным проводным монтажом печатные платы являются основным этапом в подготовке устройства к производству и имеют ряд преимуществ, т. е. они позволяют:

ь Увеличить плотность монтажных соединений и возможность миниатюризации компоновки радиоэлементов и блоков внутри устройства;

ь Организовать изготовление печатных проводников и электрорадиоэлементов в одном технологическом цикле;

ь Гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик;

ь Повышенная стойкость устройства к климатическим и механическим воздействиям;

ь Провести унификацию конструкторских и технологических решений;

ь Увеличить надежность;

ь Организовать комплексную автоматизацию работ по изготовлению устройства;

По конструктивному исполнению все печатные платы можно подразделить на: односторонние, двухсторонние, однослойные и многослойные.

Односторонние печатные платы представляют собой диэлектрическое основание, на одной стороне которого выполнен печатный монтаж, а на другой стороне размещаются элементы устройства.

У двухсторонних печатных плат печатный монтаж выполнен на двух сторонах, а переход токопроводящих линий осуществляется металлизированными контактными отверстиями. Такое исполнение печатной платы позволяет обеспечить большую плотность размещения печатных проводников.

Многослойные печатные платы состоят из чередующихся слоев материала с проводящим рисунком, соединенных клеевыми прокладками в монолитное основание путем прессования. Такое исполнение печатной платы позволяет обеспечить наибольшую плотность и надежность печатного монтажа, что в свою очередь позволяет уменьшить габаритные размеры печатной платы.

Теперь рассмотрим более подробно методику нанесения токопроводящего рисунка на подложку печатной платы. Существует несколько способов:

1 Химическое травление;

2 Электрохимическое осаждение;

3 Комбинированный.

Наиболее распространенным из этих методов является метод химического травления.

Организация процесса химического травления фольгированного материала осуществляется при помощи специально изготавливаемых для этих целей химических составов. Существует широкая номенклатура таких реактивов, большинство из которых довольно легко можно изготовить даже в домашних условиях. Наиболее простыми способами травления фольгированного материала в процессе изготовления печатной платы является:

1 Участки фольги, которые на полученном рисунке должны остаться в виде проводников, покрывают нитролаком, или клеем БФ, подкрашенным несколькими каплями чернил. После высыхания краски рисунок проверяют на соответствие чертежу и при необходимости корректируют его. Затем в стакане холодной воды растворяют 4 — 6 таблеток перекиси водорода и осторожно добавляют 15 — 25 мл концентрированной серной кислоты. Раствор выливается в стеклянную или керамическую емкость, в которую помещается плата. Время травления в данном растворе примерно 1 час.

2 Раствор хлорного железа в воде: в 200 мл воды растворяют 150 г хлорного железа в порошке. Для приготовления хлорного железа берут 9% -ную соляную кислоту и мелкие железные опилки. На 25 объемных частей кислоты берут одну часть железных опилок. Опилки засыпают в открытый сосуд с кислотой и оставляют на несколько дней. Через 5 — 6 дней раствор окрасится в желто-бурый цвет, что означает готовность раствора к применению.

3 Травление платы в концентрированном растворе азотной кислоты занимает 1 -5 минут, но требует осторожности. После травления плату тщательно промывают водой с мылом.

Существует также механический способ изготовления печатной платы без применения химикатов. Данный процесс осуществляется следующим образом: требуемых размеров плату вырезают из фольгированного материала, сверлят все необходимые отверстия и наносят на нее рисунок печатного монтажа. Контуры обводят острым шилом. Фольгу там, где это необходимо снимают при помощи резака. Для изготовления платы средней сложности приведенным способом затрачивается 1,5 — 2 часа. При применении данного метода незначительно ухудшается качество платы.

Как и для любого устройства, для изготовления печатной платы также существует своя методика:

— Сначала на клетчатой бумаге вычерчивается плата в натуральную величину.

— Следующим действием изготавливается копия этого чертежа, на котором отмечены только места, где необходимо просверлить отверстия для установки в них радиоэлементов и цифровых интегральных

микросхем.

— Эта копия наклеивается на пластину фольгированного стеклотекстолита со стороны фольги. Применять для изготовления печатной платы гетенакс или текстолит не рекомендуется, т. к. существует высокая вероятность, что при повторной пайке печатные проводники отклеятся.

— Следующим этапом является проделывание отверстий для установки радиоэлементов и микросхем. Сверлятся отверстия обычно сверлами с диаметром от 0,5 до 1,0 мм, в зависимости от элементов.

— После вся плата со стороны фольги покрывается слоем нитрокраски и высушивается не менее 20 мин.

— Затем производится тщательное обследование печатной платы и в местах где краска попала мимо печатных проводников производится ее удаление при помощи скальпеля.

— Готовая плата травится обычным способом в растворе хлорного железа. Однако и здесь существует одна небольшая хитрость, для ускорения процесса травления печатную плату нужно травить в вертикальном положении. При этом продукты реакции не будут оседать на печатную плату, и не будут препятствовать процессу травления.

2.3 Компоновка устройства

Процесс создания радиоэлектронной аппаратуры включает в себя выполнение всех проектов и расчетов в виде технической, конструкторской и технологической документации в объеме, необходимом и достаточном для многократного повторения конструкции в производстве.

В самом общем виде требования к любой конструкции состоят в том, что она должна обладать высоким качеством и надежностью функционирования, сохраняя эти свойства при заданных внешних воздействиях.

Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью и жесткостью.

Каждый технический объект конструирования является сложной системой, состоящей из различных блоков и узлов.

Низшим уровнем любой конструкции являются электрорадиоэлементы: конденсаторы, резисторы, п/п приборы, ИМС, провода, кабели, коммутационные элементы. Прежде чем приступить к изготовлению печатной платы и корпуса, нужно сделать их рисунок. Для этого вначале подбирают необходимые детали. При расположении электрорадиоэлементов на рисунках (на печатной плате и внутри корпуса) следует учитывать размеры ЭРЭ, учитывать при компоновке места для крепления платы, места крепления элементов с оригинальными типоразмерами и др. Обозначив на бумаге детали и выводы, проводят линии, соединяющие детали, как указанно на принципиальной схеме. Необходимо следить, что бы соединительные линии не пересекались. При этом можно изменять предварительное расположение деталей.

Для компоновки блоков необходимо иметь принципиальную схему устройства, а так же габаритно-устоновочные чертежи, узлов и приборов, входящих в общую схему.

Существуют следующие методы компоновки РЭА:

аналитическая компоновка;

модельная и аппликационная компоновка;

графическая компоновка.

Аналитическая компоновка производится на начальных этапах проектирования РЭА с целью получения обобщённых характеристик конструктивных параметров изделия.

Модельной и аппликационной компоновки основаны на использовании объёмных и плоских моделей ЭРЭ, изготовленных из картона и пенопласта. Данные методы широко применяют при проектировании печатных плат и расположения всех деталей внутри корпуса. С помощью модельной и аппликационной компоновки находят оптимальное взаимное расположение деталей, на основании которого делают сборочный чертёж.

Графическую компоновку выполняют на листе бумаги, вычерчивая контура компонуемых деталей. Графическую компоновку рекомендуется выполнять после модельной и аппликационной компоновки. После этого приступаем к изготовлению печатной платы. А когда готова печатная плата — изготовляется корпус.

2.4 Поиск и устранение неисправностей

Процедура поиска и устранения неисправностей истолковывается просто как ремонт отказавшего устройства. Специалист, занятый поиском и устранением неисправностей, кроме всего прочего, должен уметь оценивать качество функционирования радиоэлектронной аппаратуры путём сопоставления своих теоретических знаний с реальным поведением устройства. Такая оценка должна проводиться до и после ремонта неисправного устройства.

Уровень сложности большинства современных электронных систем таков, что лица, ответственные за поддержание их в исправном состоянии, должны пройти специальную подготовку.

Любое радиоэлектронное устройство обладает ограниченной надёжностью и сроком службы. В связи с этим возникает острая необходимость в техническом обслуживании и ремонте. Для сокращения времени на поиск неисправности и увеличения эффективности ремонта необходимо наличие современных технических средств (стендовая аппаратура и контрольно-измерительные приборы).

Существуют хорошо проверенные методы и этапы поиска неисправностей. Первым шагом является тщательный внешний осмотр аппаратуры. Проверяется, нет ли сгоревших предохранителей, разрушенных или утративших первоначальный цвет компонентов, обрывов, повреждённых участков плат, трансформаторов с запахом гари, перегретых деталей, вытекших электролитических конденсаторов. Другими словами обращается внимание на любое отклонение от нормы. Затем продолжается поиск неисправностей примерно в следующей последовательности:

— изучение электронного устройства;

— замеры питающего напряжения;

— метод от конца к началу;

— последовательное деление схемы;

— размыкание цепи обратной связи;

— логическое разделение системы;

— сравнение с известными правильными результатами;

— применение диагностических систем.

Одним из этапов предлагаемого подхода к анализу неисправностей заключается в выявлении признаков неисправности. Признак неисправности — это некоторый симптом, или указатель, свидетельствующий о нарушении нормального функционирования радиоэлектронного устройства. Задача выявления признака заключается в распознавании этого симптома при его появлении. Поскольку признак неисправности — свидетельство того, что в работе устройства произошли нежелательные изменения, необходимо иметь некоторые показатели его нормального функционирования, служащие в качестве эталона. Сравнивая показатели текущего и нормального функционирования, можно обнаружить признак неисправности и принять решение о том, что он собой представляет. На следующем этапе с помощью органов управления и индикаторов устройства собирается как можно больше информации о характеристике неисправности. Далее, исходя из собранной информации и принципов работы схемы, определяются потенциально неисправные функциональные узлы. На следующем этапе выполняются реальные проверки устройства с помощью контрольно-измерительных приборов, в результате которых определяется часть схемы, содержащая неисправность. На последнем этапе процедуры поиска неисправности для выявления местонахождения неисправного компонента необходимо проверить определённые ветви неисправной схемы. После этого можно приступать к ремонту.

Системный подход к поиску и устранению неисправностей в радиоэлектронной аппаратуре позволит существенно сократить время простоя аппаратуры и стоимость ремонта по сравнению с бессистемными методами технического обслуживания и ремонта. Другим не менее важным достоинством такого подхода является возможность постоянного поддержания радиоэлектронной аппаратуры в работоспособном состоянии, при котором её рабочие характеристики соответствуют паспортным данным.

Неисправность разрабатываемой системы переключателя может возникнуть в результате:

1. Неисправностей ИС, которые могут возникать из-за:

— повреждения корпуса и выводов;

— изменения ВАХ отдельных цепей на внешних зажимах;

— неправильности монтажа;

— повреждения микроскопической структуры.

2. Отказов активных элементов;

Отказы металлизации возникают чаще всего под влиянием токов повышенной плотности, высоких температур, а также в результате длительных температурных и электрических нагрузок.

Различают следующие основные виды отказов металлизации:

— обрывы металлизации в результате электродиффузии металла и выгорания мест повышенной плотности тока, образующихся в местах утончения металлической пленки при переходах через ступеньки окисла.

— обрывы и КЗ, вызванные электролитической и химической коррозией алюминия при некачественном защитном покрытии и загрязнении поверхности кристалла.

— КЗ металлизации через отверстия в окисле или в результате образования «мостиков» между токоведущими дорожками в процессе электролитической коррозии.

3. Отказов контактных соединений:

— некачественное соединение является одним из основных источников отказов ИС и составляет более 50% всех отказов.

4. Обрывов, которые чаще происходят по двум причинам:

— в результате сдвиговых усилий в местах контакта возникающих при колебании температуры;

— из-за пережима мягкого вывода вблизи контакта в процессе термокомпрессии.

Таблица 1 — Поиск и устранение неисправностей

3 Экономический раздел

Расчет себестоимости и отпускной цены проектируемого устройства

1. Расчет затрат на сырье и материалы.

См = Нi * Цi,

где См —стоимость сырья и материалов, руб.;

Нi — норма расхода i-го материала, в натуральных показателях;

Цi — цена за единицу измерения i-го материала, руб.

Результаты расчетов оформляются в таблице 1

Таблица1

2. Расчет затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты Ск = (Кi * Цi),

где Ск — стоимость покупных комплектующих изделий на одно устройство, руб.

Кi — количество комплектующих изделий i-го наименования на одно устройство, шт.

Цi — цена за единицу, руб.

Результаты расчетов оформляются в таблице 2.

Таблица 2.

3. Расчет материальных затрат с учетом транспортно-заготовительных расходов М = См + Ск + Стзр, где М — материальные затраты, руб.

М = 1 162,4 + 39 555 + 814,348 = 41 531,748 руб.

Стзр — сумма транспортно-заготовительных расходов, руб.

Стзр= См + Ск/ 100* 2 ,

где 2 — процент транспортно-заготовительных расходов по предприятию

НПО «РАТОН» за базисный период, %.

С_тзр = ((С_м+С_к)/100)*2 = ((1 162,4 + 39 555)/100)*2 = (40 717,4/100)*2 =

= 814,348 руб.

4. Расчет тарифной заработной платы производственных рабочих

Зтар = (Сч_ij * Тe_i),

где Зтар — тарифная заработная плата производственных рабочих, руб.;

Сч_ij — часовая тарифная ставка i-той операции, j-го разряда работ, руб.;

Тe_i — трудоемкость i-той операции, чел-час.;

Результаты расчетов оформляются в таблице 3.

Таблица 3.

5. Расчет основной заработной платы производственных рабочих ЗПосн = ЗПтар + Пр, где ЗПосн — основная заработная плата производственных рабочих, руб.;

Пр — сумма премий, руб.

Пр = ЗПтар / 100 * %Пр, где %Пр — процент премии основным производственным рабочим — (30%).

Пр = 2874,93/ 100 * 30 = 862, 479 руб.

ЗПосн = 2874,93 + 862, 479 = 3 737,409 руб

6. Расчет дополнительной заработной платы производственных рабочих ЗПдоп = ЗПосн * 15,5 / 100

где 15,5 — % дополнительной зарплаты по предприятию НПО «РАТОН».

ЗПдоп = 3 737,409*15,5/ 100 = 579,3 руб.

7. Расчет отчислений от заработной платы производственных рабочих

а) в фонд соц. защиты — 35% от заработной платы;

б) отчисления по обязательному страхованию — 0,7%.

Озп = 0,357*(ЗПосн + ЗПдоп) Озп = 0,357*(3 737,409 + 579,3) = 0,357*4 316,7 = 1 541,06 руб.

8. Итого прямые затраты

Зпр = М + ЗПосн + ЗПдоп + Озп Зпр = 39 555 + 3 737,409 + 579,3 + 1 541,06 = 45 412,77 руб.

9. Расчет расходов по содержанию и эксплуатации оборудования:

Рсэ_об = ЗПосн/100* 181 ,

где 181 — процент расходов по содержанию и эксплуатации оборудования по предприятию за базисный период, %.

Рсэ_об = (3737,409/100)*181 = 6 764,71 руб.

10. Расчет цеховых расходов:

Рц = ЗПосн 100* 78 ,

где 78 — процент цеховых расходов по предприятию за базисный период, %.

Рц = (3737,409/100)*78 = 2915,2 руб.

11. Расчет общезаводских расходов:

Ро = ЗПосн 100* 331 ,

где 331 — процент общезаводских расходов по предприятию за базисный период, %.

Ро = (3737,409/100)*331 = 12 370,82 руб.

12. Расчет прочих расходов:

Рпроч = ЗПосн /100* 3 ,

где 3 — процент прочих расходов по предприятию за базисный период, %.

Рпроч = (3737,409/100)*3 = 112,12 руб.

13. Итого заводская себестоимость:

Сз = Зпр + Рсэ_об + Рц + Ро + Рпроч Сз = 45 412,77 + 6764,71 + 2915,2 + 12 370,82 + 112,12 = 67 575,62 руб.

14. Расчет внепроизводственных расходов:

Рвп.р = Сз/100* 2 ,

Рвп.р = (67 575,62/100)*2 = 1351,51 руб.

15. Калькуляция себестоимости проектируемого устройства. Расчёт отпускной цены проектируемого устройства Расчет себестоимости и отпускной цены проектируемого устройства

Таблица № 4

В результате проведенных расчетов были определены следующие экономические показатели:

1. Материальные затраты — 41 531,75 руб.

2. Отпускная цена — 170 969,56 руб.

4 Охрана труда

Факторы производственной среды оказывают существенное влияние на работоспособность человека. Существует разделение производственных факторов на опасные и вредные. Опасный производственный фактор — это производственный фактор, воздействие которого в определенных условиях приводит к травме или к другому внезапному ухудшению здоровья. Воздействие же вредного производственного фактора в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности.

Значительным физическим фактором является микроклимат рабочей зоны, особенно температура и влажность воздуха. Человек постоянно находится в процессе теплового взаимодействия с окружающей средой. Исследования показывают, что высокая температура в сочетании с высокой влажностью воздуха оказывает большое влияние на работоспособность человека. Увеличивается время реакции, нарушается координация движений, резко увеличивается число ошибочных действий. Высокая температура на рабочем месте отрицательно влияет на психологические функции: понижается внимание, уменьшается объем оперативной памяти, снижается способность к ассоциациям.

В помещениях чаще всего бывает пониженная влажность воздуха. Зимой из-за систем центрального отопления, а летом — из-за применения кондиционеров и вентиляторов. Пониженная влажность воздуха отрицательно сказывается на состоянии кожного покрова человека: кожа теряет влагу, становится сухой и шершавой. При пониженной влажности ощущается сухость во рту, появляется жажда.

Температура, относительная влажность и скорость движения воздуха влияют на теплообмен и необходимо учитывать их комплексное воздействие. Нарушение теплообмена вызывает тепловую гипертермию, или перегрев.

Мероприятия по приведения температуры воздуха рабочей зоны, влажности, подвижности воздуха к оптимальным значениям:

Для обеспечения установленных норм микроклиматических параметров и чистоты воздуха в машинных залах и других помещениях применяют вентиляцию. Общеобменная вентиляция используется для обеспечения в помещениях соответствующего микроклимата; местные вентиляторы — для охлаждения ЭВМ и вспомогательных устройств. Периодически должен вестись контроль за атмосферным давлением и влажностью воздуха.

В холодное время года предусматривается система отопления. Для отопления помещений используются водяные, воздушные и панельно-лучевые системы центрального отопления.

Нагревательные поверхности отопительных приборов должны быть достаточно ровными и гладкими, чтобы на них не задерживалась пыль, и можно было легко очищать их от загрязнения.