Разработка таймерного устройства для фотопечати

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Трудно указать такую область человеческой деятельности, в которой, в той или иной степени не использовались бы средства радиотехники. Они используются в различных отраслях народного хозяйства, в электроэнергетике, в воздушном, в водном, железнодорожном, автомобильном транспорте, в приборостроении, в производстве быстродействующих ЭВМ, в производстве биологических и медицинских приборов. Именно поэтому радиотехника, зародившаяся в начале прошлого века, является бурно развивающейся отраслью техники. За это время радиоаппаратура прошла несколько этапов развития, каждый из которых позволяет резко увеличить количество функций, которые выполняет аппаратура, повысить их сложность и одновременно при этом улучшить эргономические качества, повысить ее надежность и снижать потребление электроэнергии.

С каждым годом с развитием радиотехники открываются новые возможности и области применения радиоаппаратуры, которая служит для решения возможных задач науки и техники. Большую часть всех радиоэлектронных устройств составляет бытовая радиоэлектронная аппаратура. К ней относятся катушечные и кассетные магнитофоны, магнитолы, радиоприемники и телевизоры, электропроигрывающие устройства, акустические системы, стереофонические радиокомплексы и музыкальные центры, видеомагнитофоны, видеокамеры и т.д. Обслуживание и обеспечение надежной работы современной сложной радиоаппаратуры требует от радиомехаников высокой технической культуры и профессиональной грамотности, умение качественно выполнять ее ремонт, регулировку и настройку.

Перед работниками промышленности стоят огромные задачи по совершенствованию производства на базе современной науки и техники, повсеместному внедрению новой техники и материалов, применению высокопроизводственной энерго- и материало-сберегающей технологии. Решение этих задач, связанных с повышением эффективности производства, качеством выпускаемой продукции, требует неукоснительного выполнения норм и требований стандартов и технических условий для изделий в обычном исполнении и особенно в микроэлектронном. Повышение эффективности производства и качества продукции как главный путь повышения благосостояния народа применительно к радиоэлектронному приборостроению означает возрастание роли и ответственности конструктора радиоаппаратуры.

В мирре насчитываются миллионы людей, которые занимаются фотоделом как любители или профессионалы. В настоящее время цифровое фото занимает все большее место в нашей жизни, вычеркивая из нашей технологии производства фотографий прошлых лет, но несмотря на это настоящее качество отпечатков (особенно цветных) позволяет получить только фотохимическим способом (цена такого уровня цифровых фотографий в несколько десятков раз выше, чем у фотоотпечатков).

В процессе обработки фотоматериалов важную роль играет длительность операций, контроль за выдержкой выполняют различного вида таймерные устройства. Механические реле, которыми пользовались фотографы прошлого века, очень устарели и не позволяют контролировать время обработки с достаточной дискретностью. На замену им пришли электронные таймерные устройства.

Промышленность выпускает большое количество первоклассных таймерных устройств для фотолюбителей и профессионалов. В этих приборах широко применяются полупроводниковые приборы, микросхемы и интегральные схемы, новые принципы конструирования. На этой базе интенсивно обновляется парк устройств профессиональной и любительской аппаратуры, как для профессионалов, так и для любителей.

Целью данного дипломного проекта конструкторского типа является разработка конструкции функционально-законченного устройства - таймерного устройства для фотопечати, предназначенного для включения нагрузки от 0,1 до 99,9 секунд с дискретностью перестройки 0,1 с. В ходе дипломного проектирования конструкторского вида решаются следующие задачи:

- проводится анализ требований технического задания с точки зрения конструктора радиоэлектронной аппаратуры;

- анализируется схема электрическая принципиальная и обосновывается конструктивное исполнение устройства;

- выбираются и обосновываются комплектующие элементы и материалы конструкции проектируемого изделия;

- разрабатывается и обосновывается компоновка устройства;

- обосновываются способы защиты проектируемого изделия от воздействия дестабилизирующих факторов;

- проводятся конструкторские расчеты;

- обосновывается технологический процесс сборки платы печатной;

- разрабатывается экономическая сторона производства проектируемого изделия;

- проводятся рекомендации по обеспечению безопасных условий труда;

- разрабатывается психолого-педагогическое задание.

1. Анализ исходных данных на проектирование и разработку технологического задания на конструирование таймерного устройства для фотопечати

1.1 Назначение изделия и технические возможности

Разрабатываемый прибор представляет собой таймерное устройство с возможностью включения нагрузки фотоувеличителя на отрезки времени от 0,1 до 99,9 секунды с дискретностью перестройки 0,1 с. При этом точность измерения отрезка времени зависит от стабильности частоты колебаний сети, и как правило не опускается ниже 0,02 с.

В устройстве предусмотрена индикация длительности выдержки времени, а также принудительное включение нагрузки, кроме этого при перестройке длительности раздается звуковой сигнал, что позволяет управлять устройством в затемненном помещении без включения индикации с поступающим включением контрольным включением на короткий промежуток времени, что позволяет избегать засветки фотоматериалов.

Таймерное устройство отличается от аналогичных приборов безтрансформаторным блоком питания, что позволяет существенно уменьшить размеры корпуса, что существенно влияет на свободное пространство в малом помещении любительской фотолаборатории.

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействиям

Согласно техническому заданию на дипломное проектирование условия эксплуатации разрабатываемо конструкции таймерного устройства соответствует легким условиям (группа 1). Климатическое УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69:

- значение температуры воздуха от +10 до +35 0С;

- относительная влажность воздуха от 45 до 80% при 30 0С и боле низких температурах без конденсации влаги, среднемесячное значение влажности равно 65% при 20 0С в течение года;

- атмосферное давление от 8,36·104 до 10,6·104 Па или от 630 до 800 мм.рт.ст.

1.3 Требования к конструкции

Требования к конструкции разрабатываемого прибора вытекают из его функционального назначения и условий его эксплуатации. Конструкция прибора должны обеспечивать ремонтопригодность, удобство в эксплуатации, иметь, по возможности, малые габаритны и вес, высокие надежность в работе и эргономические характеристики.

Эстетические требования должны соответствовать ГОСТ 23852-79. Конструкция прибора должна отвечать требованиям к технологичности по ГОСТ 18831-73 и ГОСТ 14205-83.

1.4 Требования к надежности

Наработка на отказ устройства должна составлять не менее 15000 часов по ГОСТ 21317-84.

1.5 Требования к типу производства

Заданная программа выпуска соответствует значению 10000 штук в год, что указывает на мелкосерийный тип производства.

1.6 Требования к электробезопасности

Требования к электробезопасности должны соответствовать ГОСТ 12.2.006-83.

1.7 Технологическое задание на конструирование таймерного устройства для фотопечати

На начальной стадии конструирования необходимо проанализировать конструкцию на технологичность и разработать предложения по повышению технологичности. Затем следует приступить к разработке технологической схемы сборки печатной платы. Далее необходимо разработать варианты технологического процесса сборки печатной платы и выбрать соответствующее оборудование. В заключении требуется разработать операционную технологию.

Исходя из назначения устройства, условий его эксплуатации и принадлежности к аппаратуре группы I вытекают следующие технологические требования к конструкции: корпус штампованный, металлический, перфорированный, виброизоляторы резиновые, наличие защитного металлического экрана.

2. Анализ электрической схемы и обоснование конструктивного исполнения таймерного устройства для фотопечати

2.1 Анализ электрической схемы

Основная часть таймерного устройства -- блок выдержки времени. Он состоит из следующих блоков: блока перестройки длительности времени; блока звуковой индикации нажатия; блока установки и хранения кода требуемой длительности; блок отсчета длительности; цифро-аналогового преобразователя; блока индикации выдержки; блока питания.

На микросхеме DD1 выполнен блок перестройки длительности времени. Он выполняет следующие функции: при кратковременном нажатии на кнопку S1 или S2 посылает одиночный импульс на счетчики установки кода DD4, DD6, DD8, соответственно увеличивая или уменьшая содержимое счетчиков на единицу, что соответствует измерению длительности считываемого интервала времени на 0,1 с. Формирование одиночного импульса происходит в результате перепада напряжения на одном из входов DD1.2 или DD1.4 при нажатии на кнопку S1 или S2 соответственно. Наличие высокого уровня на других входах этих логических элементов обуславливается большим временем заряда конденсатора С1, который при кратковременном нажатии на кнопку не успевает зарядится до полного уровня, тем самым обеспечивая низкий уровень сигнала на входе элемента DD1.1, и следовательно высокий уровень логической единицы на его входе. Блок звуковой индикации выполнен на VT1, R5, BA1.

Блок отсчета длительности выполнен на элементах DD2.2, DD3, DD5, DD7, DD9. При нажатии кнопки S3 «Старт» на выводе и DD2.2 возникает отрицательный импульс. Триггер переключается, и на его выходе появляется постоянный высокий уровень.

Блок установки и хранения кода требуемой длительности выполнен на реверсивных двоично-десятичных счетчиках DD4, DD6, DD8.

С выходов двух счетчиков старших размеров DD7 и DD9 сигналы поступают на простейших ЦАП на резисторах R15- R22.

Блок индикации выдержки может иметь три схемотехнических решения. Первый вариант - индикация при помощи стрелочного индикатора, проградуированного в секундах не удовлетворяет заданию ДП, так как, он не позволяет пользователю данного устройства точно устанавливать длительность выдержки в условиях затемненного помещения лаборатории.

Второй вариант значительно более удобен при установке и отсчете времени, однако содержит дефицитные дешифраторы К564ИД5 и сравнительно дорогостоящие семисегментные индикаторы АЛС333А.

Третий вариант имеет наиболее громоздкую схему, но вместо дефицитного дешифратора К564ИД5 в ней используется распространенный дешифратор КИД совместно с диодной схемой перекодирования десятичного кода в код управления семисегментными индикаторами.

Схема блока питания и электронного ключа, не обеспечивает гальванической развязки устройства от сети, поэтому при сборке необходимо обеспечить хорошую изоляцию устройства. Главное преимущество этого блока - отсутствие в схеме трансформаторов, что значительно упрощает схему, что облегчает монтаж и сборку устройства. В качестве кнопок S1 - S3 будут использоваться микропереключатели МП-3, впаиваемые непосредственно в печатную плату. В качестве переключателя S4 использован «тумблер» на основе того же микропереключателе. Вместо микросхем серии 155 можно использовать микросхемы серии 555, при этом снижается потребляемая мощность. Транзисторы VT1-VT9 - любые маломощные n-p-n транзисторы с током коллектора не менее 100 мА. Резисторы (кроме R10)- типа С2-23 0,125 Вт. Резистор R10 - С2-23 2Вт. Конденсаторы С1, С5, С6 - электролитические, типа К50-35, остальные типа К73-9. в качестве звукового излучателя будет использоваться наушник «Тон-2» с сопротивлением катушки 1600 Ом.

Большинство деталей таймерного устройства смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита одностороннего.

Подробные сведения об элементах таймерного устройства приведены в приложении А «Перечень элементов»

2.2 Учет влияния на работу таймерного устройства для фотопечати человека-оператора и внешней среды

Так как с таймерным устройством будет работать человек-оператор, то необходимо предусмотреть, чтобы конструкция прибора соответствовала как эргономическим, так и эстетическим требованиям.

В настоящее время известны эргономические показатели качества конструкции, а также эстетические средства их реализации. Эргономические показатели конструкции делятся на гигиенические (освещенность, вентилируемость, температура, напряженность электрического и магнитного полей, токсичность, шум, вибрация), антропометрические (соответствие конструкции изделия размерам и форме тела человека и его частей, входящих в контакт с изделием), физиологические и психофизиологические (соответствие конструкции изделия силовым, скоростным, зрительным возможностям человека), психологические (соответствие конструкции изделия возможностям восприятия и переработки информации, закрепленным и вновь формируемым навыкам человека).

Для учета влияния на работу таймерного устройства человека-оператора необходимо провести эргономический и эстетический анализы конструкции разрабатываемого таймерного устройства.

На этапе эргономического проектирования будущей конструкции таймерного устройства необходимо предусмотреть, чтобы расположение самого таймерного устройства и органов управления обеспечивали удобное положение человека при работе, рабочая точность находилась на удобной высоте с учетом рабочего положения и расстояния до глаз, органы управления размещались в пределах досягаемости с учетом положения тела оператора при работе; форма, размеры и материал органов управления соответствовали прилагаемому усилию, допустимому с точки зрения физиологии, конструкция обеспечивала удобство обслуживания и ремонта (доступность, степень риска, освещенность и т.д.), освещенность существующая была достаточной для выполнения данной работы, органы управления размещались на оптимальном расстоянии в поле зрения, индикация быть видна достаточно четко, по положению органов управления можно было быстро определить ситуацию (включено либо выключено), рука при перемещении органа управления не закрывала индикацию, органы управления размещались в последовательности, соответствующей порядку выполнения операций, физическая и психическая нагрузка при работе соответствовала возможностям различных операторов (мужчин, женщин, молодых и пожилых работников).

Все эти требования были учтены при проектировании передней панели таймерного устройства, а также при выборе конструкции корпуса, состоящего из несущей конструкции (шасси), кожуха, передней и задней панелей.

На этапе эстетического проектирования выясняется объемно-пространственная структура и определяется ведущий формообразующий принцип (симметричное, асимметричное, статическое, динамическое решение); определяется логика взаимопереходов и взаимосвязей отдельных объемов и сочинений; определяются главные и второстепенные элементы; оценивается динамика формы; оцениваются информативные свойства формы, с помощью которой человек информируется о функции изделия в целом и его отдельных частей; проверяется тектоничность основных формообразующих элементов; проверяется соответствие формы конструктивным особенностям применяемого материала и характеру его работы; определяется степень согласованности, соразмерности и соподчиненности элементов и целого; проверяется пропорциональность композиции; проверяется ритмический строй изделия по горизонтали и вертикали; определяется масштаб изделия по отношению к предметам окружающей среды и к человеку, выявляются масштабные несоответствия и элементы - указатели масштаба; оценивается поверхность изделия с точки зрения рисующий световых линий (бликов светового каркаса), гармоничность формы светового каркаса; оценивается фактура поверхностей и пользуемые декоративные свойства материалы; оцениваются самостоятельные элементы (крепежные детали, органы управления и т.д.), их одностильность и взаимосвязанность; оцениваются единство деталей и целого, цветовая композиция, единство геометрической формы и цвета, выделение цветом функционально-важных элементов и т.д.

При художественно - конструкторском оформлении проектируемого устройства необходимо учитывать технологические ограничения на формо- и цветообразования, фактуру поверхности (матовая, шероховатая, блестящая, с «рисунком»), параметры применяемых материалов (цветовой тон, защитно-декоративные свойства, технологичность их использования), ограничения по формообразованию, накладываемые технологией (прессование пластмасс, литьевое или вакуумное формирование и т.д.).

Эти требования были также учтены при выборе материалов и покрытий как передней панели, так и всего корпуса (шасси, кожуха, задней панели), при проектировании конструкции корпуса, а также при выборе технологических операций, используемых при изготовлении данного таймерного устройства. Конкретные инженерные решения этих вопросов представлены в последующих разделах пояснительной записки.

Таймерное устройство подвергается воздействию внешних факторов окружающей среды. Чем являются механические воздействия (вибрация и т.д.), тепловые воздействия (перегрев или переохлаждение), воздействие влаги и т.д. Для защиты от этих факторов внешней среды необходимо предусмотреть следующие конструкторские решения:

- выбирается металлический корпус;

- предусматриваются перфорационные отверстия;

- обязательное наличие виброизоляторов;

- покрытие печатной платы защитным лаком;

- конструкция корпуса выбирается полезащитной;

- корпус подвергается нанесению защитно-декоративных покрытий и т.д.

2.3 Обоснование конструкторского исполнения таймерного устройства для фотопечати, выбор вида электрического монтажа

Конструкция корпуса разрабатываемого изделия во многом зависит от условий эксплуатации. Основными критериями при выборе корпуса является:

- класс и назначение прибора;

- условия эксплуатации прибора;

- эстетическое и эргономические требования к прибору.

Разрабатываемое таймерное устройство относится к бытовой переносной радиоэлектронной аппаратуре, предназначенной для работы в стационарных условиях в помещениях категории УХЛ 4.2 по ГОСТ

15150-69. К этой категории относятся закрытые, отапливаемые помещения с искусственно регулируемыми климатическими условиями (лаборатории, капитальные жилые помещения). Значение температуры воздуха составляет от +10 до +350С при относительной влажности воздуха от 45 до 80%, воздух без химических примесей.

Выбор корпуса, т.е. его конструкции, во многом определяет надежную работу изделия в заданных условиях эксплуатации. Вытекающими факторами из вышеуказанных критериев при выборе конструкции корпуса являются:

- обеспечение электромагнитной совместимости;

- обеспечение тепло- и влагозащиты радиоэлементов;

- обеспечение защиты от механических воздействий.

Учитывая вышесказанные особенности, выбираем корпус штампованный. Несущим основанием является штампованное шасси, к которому крепятся плата таймерного устройства для фотопечати. В состав корпуса также входят кожух с перфорированными отверстиями с целью улучшения теплообмена с окружающей средой, передняя и задняя панели, которые крепятся к шасси при помощи винтов.

Для воспроизводимости параметров таймерного устройства и снижения его стоимости большая часть электрических соединений выполнена с использованием печатного монтажа. Внутренний электрический монтаж между узлами прибора выполнен гибким монтажным проводом МГШВ.

Материалы составных частей корпуса таймерного устройства приведены вместе с характеристиками в разделе 3.

Выбранная конструкция корпуса прибора позволяет обеспечить наиболее надежную работу и высокую ремонтопригодность изделия при минимальных его габаритах и энергозатратах.

3. Выбор и обоснование комплектующих элементов и материалов конструкции таймерного устройства для фотопечати

Критериями выбора элементной базы в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик электрорадиоэлементов заданным условиям работы и условиям эксплуатации.

Основными параметрами при выборе электрорадиоэлементов являются:

а) технические параметры:

- номинальные значения параметров электрорадиоэлементов согласно принципиальной электрической схеме устройства;

- допустимые отклонения величины электрорадиоэлементов от их номинальных значений;

- допустимые рабочие напряжения электрорадиоэлементов;

- допустимые рассеиваемые мощности электрорадиоэлементов;

- диапазон рабочих частот электрорадиоэлементов;

- коэффициент электрических нагрузок электрорадиоэлементов;

б) эксплуатационные параметры:

- диапазон рабочих температур;

- относительная влажность воздуха;

- давление окружающей среды;

- вибрационные нагрузки;

- другие (специальные) показатели.

Дополнительными критериями при выборе электрорадиоэлементов являются:

- унификация электрорадиоэлементов;

- масса и габариты электрорадиоэлементов;

- наименьшая стоимость;

- надежность.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации при выборе электрорадиоэлементов, а также при конструировании изделия в целом позволяет получить следующие преимущества:

- значительно сократить сроки и стоимость проектирования;

- сократить на предприятии-изготовителе номенклатуру применяемых деталей и сборочных единиц, увеличить применяемость и масштаб производства;

- исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта радиоэлектронной аппаратуры, т.е. упростить подготовку производства;

- создать специализированные производства стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятий;

- улучшить производственную и эксплуатационную технологичность;

- снизить себестоимость выпускаемого изделия.

Учитывая вышесказанное, перейдем к выбору элементной базы разрабатываемого таймерного устройства.

3.1 Обоснование выбора пассивных элементов

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплуатационных параметров пассивных радиоэлементов, использованных в данном таймерном устройстве.

Из справочной литературы [18] имеем следующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов следующих типов:

а) для конденсаторов типа К 50-35:

температура окружающей среды от -60 до +125 0С;

ток утечки от 0,1 до 1 мкА

срок сохранности 12 лет;

б) для конденсаторов К73-9:

температура окружающей среды от -80 до +800С;

относительная влажность воздуха до 98% при 350С

атмосферное давление…от 10-6 до 800 мм рт. ст.

минимальная наработка 10000 часов

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов конденсаторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [1], [15] имеем следующие данные об условиях эксплуатации применяемых в таймерном устройстве резисторов:

а) для резисторов типа С2-23:

температура окружающей среды от - 55 до + 1250С;

предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока…200 В;

минимальная наработка 23000 часов;

срок сохранности 15 лет;

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов резисторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [35] имеем следующие данные об условиях эксплуатации диодов следующих типов:

а) для диодов типа КД521:

постоянный прямой ток 0,05А;

температура окружающей среды от - 60 до + 125 0С;

время восстановления обратного сопротивления 4 мс;

б) для диодов типа КД421:

постоянный прямой ток.. 0,35А;

температура окружающей среды…. - 60 до + 125 0С;

время восстановления обратного

сопротивления 1000 нс

в) для диодов типа КД 226 В:

постоянный прямой ток 1А

температура окружающей среды - 45 до + 85 0С

время восстановления обратного сопротивления.. 250 нс

г) для тиристоров типа КУ202Л:

- напряжения рабочее… 300В

- время выключения…. 10 мкс

- температура окружающей среды….. -60 +1000С

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов диодов и тиристоров заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [1] имеем следующие данные об условиях эксплуатации трансформатора и коммутационных устройств следующих типов:

а) для переключателя типа МП-3:

допустимый ток при переменном токе 50Гц при напряжении 250В. 1А;

температура окружающей среды… от -60 до +70°С;

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов коммутационных устройств, а также трансформатора, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [ ] имеем следующие данные об условиях эксплуатации головки динамической ТОН-2

Сопротивление катушки 1600 Ом

Диапазон воспроизведения частот 100-3000 Гц

Диапазон рабочей температуры -60 +100°С

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условие эксплуатации предлагаемых типов динамических излучателей, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Данный сравнительный анализ по использованию пассивных элементов в данном таймерном устройстве согласно предложенной схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технических характеристик электрорадиоэлементов заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются:

- конденсаторы С4, С4-С10 типа К50-35;

- конденсаторы С2, С3, С11 типа К73-9;

- резисторы R1, R32 типа C2-23;

- диоды VD1-VD4, VD11-VD23 типа КД 523;

- диоды VD5 типа КД421;

- диоды VD7-VD11 типа КД226B;

- переключатели: SA1-SA4 типа MП-3;

- тиристоры VS1 типа КУ202Л;

- динамическая головка ВА1 типа ТОН-2.

В качестве держателя сетевого предохранителя типа ВПБ-6-10-2А выбран держатель типа ДП 6 по ГОСТ 6225-73.

Выбранная элементная база является унифицированной.

3.2 Обоснование выбора активных элементов

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплуатационных параметров активных радиоэлементов, использованных в данном таймерном устройстве.

Из справочной литературы [6] имеем следующие данные об условиях эксплуатации интегральных микросхем серии К555 и КР142:

интервал рабочих температурот -20 до +850С;

относительная влажность воздуха до 98% при 200С;

скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкс;

полоса единичного усиления 12МГц;

Сопоставляя заданные условия эксплуатации таймерного устройства и условия эксплуатации предложенных микросхем, заключаем, что выбранные серии пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [12] имеем следующие данные об условиях эксплуатации применяемых в таймерном устройстве транзистора:

а) транзистор типа КТ315А:

температура окружающей среды от - 40 до +850С;

постоянная мощность рассеивания……. 150 мВт;

постоянное напряжение коллектор-база…. 6В;

постоянное напряжение база - эмиттер …0,4 В;

постоянный ток коллектор…. 100 мА;

постоянный ток базы…. 1 мкА.

Сопоставляя условия эксплуатации таймерного устройства и условия эксплуатации предлагаемого типа транзисторов, а также их энергетические показатели, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Проведенный сравнительный анализ по использованию активных радиоэлементов в данном таймерном устройстве согласно предложенной схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технических характеристик электрорадиоэлементов заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются:

- транзисторы VT1-VT31 типа КТ315А;

- микросхема DD1 типа К555 ЛА3;

- микросхема DD2 типа К555 ТМ2;

- микросхемы DD3-DD9 типа К555ТМ2;

- микросхемы DD3-DD9 типа К555 ИЕ6;

- микросхемы DD10-DD12 типа К564ИД5;

- микросхема DA1 типа КР142ЕН5А.

Выбранная элементная база является унифицированной.

3.3 Обоснование выбора материалов конструкции

Выбор материалов конструкции разрабатываемого изделия проводим согласно требованиям, изложенным в техническом задании.

Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

- иметь малую стоимость;

- легко обрабатываться;

- быть легкими;

- обладать достаточной прочностью и жесткостью;

- внешний вид материалов кожуха, лицевой и задней панелей должен отвечать требованиям технической эстетики;

- сохранять свои физико-химические свойства в процессе эксплуатации.

Применение унифицированных материалов в конструкции, ограничение номенклатуры применяемых деталей позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого изделия, улучшить производственную и эксплуатационную технологичность. Сохранение физико-химических свойств материалов в процессе их эксплуатации достигается выбором для них необходимых покрытий. При выборе покрытий для материалов конструкции необходимо руководствоваться рекомендациями и требованиями, изложенными в ГОСТ 9.303-84 и ОСТ4ГО.014.000. Изготовление деталей конструкции типовыми технологическими операциями также позволяет снизить затраты при серийном выпуске изделия в промышленности. При изготовлении радиоэлектронной аппаратуры наиболее широкое применение нашли следующие технологические операции: штамповка, литье, точечная электросварка и другие. Для разрабатываемого прибора, учитывая его программу выпуска, целесообразно применение деталей, изготовленных штамповкой. Штампованные детали изготавливаются двумя группами технологических операций: разделительные и формообразующие. К первой группе относятся операции отрезки, вырубки, пробивки и т.п., применяемые для производства деталей из матового материала. Ко второй группе относятся операции гибки, вытяжки, высадки и т.п. Штамповка листовых материалов обеспечивает малую трудоемкость и стойкость изготовления деталей, высокую точность размеров. На технологичность конструкции штампованных деталей оказывают влияние ограничения в формообразовании для выбранного материала, величина допуска на размер и форму детали, требования к чистоте поверхности. Стоимость штампованной детали тем меньше, чем проще ее форма и размеры. Для изготовления деталей из листовых материалов применяют разнообразные материалы, как металлические, так и неметаллические. Из металлических сплавов широкое применение получили алюминиевые сплавы. В качестве неметаллических материалов используют сложные пластики, листовые термопластики. Для изготовления передней и задней панелей прибора рекомендуется применять сплавы АЛ-2, Амц и другие алюминиевые сплавы, подвергающиеся анодированию и защитной окраске. При изготовлении элементов несущих конструкций широко используются стали. Углеродистая сталь 3 кп обладает высокой пластичностью, вязкостью, имеет низкий предел текучести, отличается высокой чистотой поверхности, хорошо окрашивается.

Для изготовления печатных плат в радиоэлектронной аппаратуре наиболее широкое распространение получили такие материалы, как гетинакс, стеклотекстолит. При выборе материала печатной платы необходимо иметь в виду следующее:

- высокие электроизоляционные показатели;

- большая электрическая прочность;

- малые диэлектрические потери;

- химическая стойкость к действию химических растворов, используемых при изготовлении печатных плат;

- допускать штамповку;

- выдерживать кратковременные воздействия температуры до 240 0С в процессе пайки на плате электрорадиоэлементов;

- иметь высокую влагостойкость;

- быть дешевым.

При выборе материала печатной платы необходимо руководствоваться документами и государственными стандартами: ГОСТ10316-78, ГОСТ23751-86, ГОСТ23752-86 и др.

Учитывая вышеизложенные требования, в разрабатываемом приборе для изготовления несущей конструкции (шасси) используется стальной горячекатаный квадратный прокат: квадрат 5-А ГОСТ259177/3КП - б - 2ГОСТ380-71, из чего видно, что сторона квадрата 5 мм, повышенная точность, марка 3 кп, для обработки резанием, категория 2. Для изготовления кожуха используется холоднокатаная лента из стали: лента 3 кп - М-К-Б1х210ГОСТ503-81, из чего следует, что лента из стали марки 3кп, мягкая, с обрезной кромкой, с контролем микроструктуры, толщина 1 мм, ширина 210 мм. Для изготовления передней и задней панелей используются ленты из алюминиевого сплава: лента Д16Т12х85ГОСТ13726-73, из чего следует, что лента из сплава Д16, закаленная и естественного состаренная, толщина 2 мм, ширина 85 мм. Винты, шайбы, гайки используются для крепежа и изготовлены из стали А12ГОСТ1414-75. В качестве виброизоляторов применены амортизаторы типа АПН-1 Гем.342.051ТУ. В качестве материала печатной платы выбран стеклотекстолит фольгированный односторонний, с толщиной фольги - 50 мкм: СФ-1-50 ГОСТ10316-78.

В качестве покрытий использованы следующие:

- М9.Н6.Х41 - защитно-декоративное, хромовое, черное, наносится на кожух таймерного устройства;

- Ц9.хр - защитно-декоративное, цинковое, хромированное, наносится на шасси таймерного устройсва;

- Ан.окс.эмаль МЛ-12-светло-серая IIУ2 - поверхность анодно-оксидировнная и покрыта эмалью, наносится на переднюю и заднюю панели.

Материалы и покрытия, примененные в разрабатываемой конструкции, сведены в таблице 3.1.

Таблица3.1 - Наименование материалов деталей и их покрытий, используемых в таймерном устройстве

Наименование изделия	Марка материала	Покрытие
Шасси	Сталь 3 кп	Ц9Хр
Кожух	Сталь 3 кп	М9.Н6.Хи1
Передняя, задняя панель	Д16Т	Ан.окс.эмальМЛ-12-светло-серая

Наименование изделия	Марка материала	Покрытие
Крепеж	Сталь А12	ЦЭХр
Плата печатная	СФ-1-50	Сплав «Розе»

Выбранные материалы и покрытия отвечают требованиям технического задания.

4. Разработка компоновки таймерного устройства

4.1 Обоснование вариантов внутриблочной компоновки

Основная задача, решаемая при компоновке радиоэлектронной аппаратуры, - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса изделия и месторасположения в пространстве радиоэлементов и элементов несущих конструкций. При компоновке изделия необходимо учитывать электрические, магнитные, механические, тепловые и другие виды связей. Учет видов связей и оптимальное расположение радиоэлементов в конструкции позволяют обеспечить надежную работу устройства в целом при высокой его ремонтопригодности.

Размещение электрорадиоэлементов производилось согласно функционально-узловому методу конструирования радиоэлектронной аппаратуры, суть которого заключается в объединении частей схемы электрической принципиальной изделия в конструктивно технологически законченный узел, способный выполнить частную задачу преобразования или формирования сигнала.

Схема электрическая принципиальная разрабатываемого таймерного устройства располагается на одной плате (узле), за исключением органов управления. Чертеж платы таймерного устройства представлены в графической части проекта.

Конструкция монтажа обеспечивает свободный доступ ко всем электрорадиоэлементам с целью их осмотра, проверки, замены. Крепление печатной платы к шасси прибора осуществляется с помощью четырех крепежных винтов, проходящих через крепежные отверстия в плате. Тепловой режим работы радиоэлементов обеспечивается собственной конвенцией воздуха внутри корпуса, в кожухе которого проделаны перфорационные отверстия. На передней панели прибора расположены органы управления:

- микропереключатель SA2 типа МП-3, отвечающий за переключение длительности выдержки в большую сторону;

- микропереключатель SA3 типа МП-3, отвечающий за переключение длительности выдержки в меньшую сторону;

- микропереключатель SA4 типа МП-3, осуществляющий начало обратного отчета времени выдержки;

На передней и задней панелях нанесены поясняющие надписи согласно ГОСТ 2.2.006-83. Механическое соединение, как передней, так и задней, панелей осуществляется посредством их привинчивания к каркасу прибора при помощи четырех винтов. К шасси прибора привинчены четыре резиновые виброизолирующие ножки. Крепление шасси осуществляется стяжками. Электрический монтаж блоков выполнен гибким монтажным проводом МТШВ, сигнальные цепи - экранированным проводом МГТФЭ. Провода сведены в жгут при помощи хлопчатобумажных ниток.

Разработанная конструкция с внутренней компоновкой прибора обеспечивает высокую ремонтопригодность изделия, удобство в эксплуатации, отвечает требованиям производственной технологичности.

4.2 Обоснование размещения органов управления и индикации на передней панели

Элементы индикации и управления следует размещать в соответствии с ГОСТ23000-78 «Пульты управления. Общие эргономические требования». При расположении индикаторов следует учитывать их приоритет (роль при достижении цели; цена ошибки оператора; частота использования; срочность использования информации; надежность работы индикаторов). Наиболее приоритетные индикаторы располагают прямо перед оператором, менее важные - сбоку слева, еще менее важные - сбоку справа. Следует также учитывать идентичность информации, логическую связь между сообщениями, совместное использование индикаторов, соответствие размещения индикаторов и технических устройств, работа которых отображается, соответствие навыкам оператора.

Для концентрации внимания операторов элементы индикации и управления могут быть объединены в логические блоки рамкой.

Эффективность выполнения операций управления в значительной степени зависит от конструкции органов управления и характера их размещения друг относительно друга и относительно органов индикации. Органы управления должны находиться в пределах досягаемости рук человека.

Органы управления радиоэлектронных систем делятся по своему назначению на исполнительные (кнопки, тумблеры, клавиши) и регулировочные (ручки, переключатели, клавиши). К элементам управления предъявляются требования быстроты передачи информации от оператора, надежности работы, эстетичности, технологичности конструкции. По конструктивной реализации элементы управления делятся на управляемые одним пальцем (нажимные, передвижные) и двумя и большим числом пальцев (поворотные, многооборотные, рычажные).

Ориентировочные параметры ручек для плавной и ступенчатой регулировки:

диаметр от 4 до 70 мм;

высота от 12 до 20 мм;

требуемое оптимальное усилие от 3 до 4 Н;

максимально усилие до 25 Н.

Для тумблеров допустимое усилие переключения не должно превышать 5Н, а длина рычага должна быть в пределах от 3 до 15 мм. Усилие часто используемых кнопок должно составлять от 1 до 6 Н, диагональ кнопок выбирают в пределах от 8 до 30 мм, в зависимости от длины и ширины пальцев, глубина утапливания кнопок от 3 до 8 мм. При установке тумблеров и кнопок следует руководствоваться следующими соображениями:

- установка в горизонтальные ряды целесообразнее установки в вертикальные ряды, так как в первом случае уменьшается вероятность ошибки;

- рычаги тумблеров в любом рабочем положении и кнопки должны находится на расстоянии не менее 25 мм друг от друга.

Целостность панели управления радиоэлектронной системы достигается благодаря умелому использованию соподчиненности второстепенных элементов главным, пропорциональности и масштабности. Для лицевой панели прибора ведущим является ее фон, ведомыми - шкалы, индикаторы, кнопки, тумблеры, переключатели, ручки и т.д. Пропорции в вертикальном направлении являются более значимыми, чем в горизонтальном. Статичности при конструировании передней панели радиоэлектронной системы достигают путем симметрического расположения рядов кнопок, тумблеров и элементов индикации относительно оси симметрии или контрастного симметричного расположения разногабаритных и разнотоновых элементов. При компоновке панели управления в целом необходимо принимать во внимание:

- взаимное расположение органов индикации и управления с учетом последовательности работы с ними, с тем, чтобы органы зрения и управления человека двигались в одном направлении без резких скачков и зигзагов;

- при работе с двумя и более ручками регулировки руки оператора не должны перекрещиваться;

- при работе двумя руками следует стремиться к тому, чтобы движения оператора были симметричны и синхронны.

Учитывая вышеизложенные требования и рекомендации к оформлению передней панели радиоэлектронной системы, была разработана передняя панель таймерного устройства.

Редко используемый тумблер SA1 располагается в правом верхнем углу панели. Органы управления располагается в два горизонтальных раза, по два в каждом. В расположении управляющих кнопок сыграла последовательность действий оператора при пользовании таймерным устройством. Так в верхнем горизонтальном ряду на одной оси располагаются кнопки увеличение и уменьшение длительности задаваемой выдержки. В нижнем горизонтальном ряду располагаются кнопки «Старт» (начало обратного отсчета задаваемой выдержки) и кнопка «Ручное включение» (принудительное включение нагрузки). Надписи, поясняющие назначение кнопок помещены непосредственно под ними. Расстояние между органами управления соблюдены согласно нормам, описанным выше.

Предлагаемая компоновка органов управления таймерного устройства содержит в себе пропорциональность, симметричность, масштабность, что обеспечивает удобство пользования прибором, отвечает современным требованиям конструирования радиоэлектронной аппаратуры.

4.3 Разработка конструкции печатной платы таймерного устройства для фотопечати

Выбор печатного монтажа радиоэлементов в данном таймерном устройстве обусловлен заданной программой выпуска изделия - 10000 штук в год, что соответствует мелкосерийному типу производства. Печатный монтаж в этом случае является наиболее экономически целесообразным.

При разработке печатной платы были использованы следующие документы: ГОСТ23751-86, ГОСТ10317-79, ОСТ4ГО.010.009, ОСТ4ГО.010.011, ОСТ4ГО.064.089 и ряд других документов. Исходными данными при разработке топологии печатной платы являлись:

- схема электрическая принципиальная;

- установочные размеры радиоэлементов узла;

- рекомендации по разработке монтажа.

В процессе разработки был выбран односторонний тип печатной платы СФ-1-50, так как он характеризуется повышенной точностью выполнения проводящего рисунка; установкой изделий электронной техники на поверхность печатной платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительного изоляционного слоя, низкой стойкостью. Односторонний тип печатной платы был также выбран из-за относительно небольшого количества радиоэлементов, которые не обеспечивают крупных габаритов платы. Класс точности платы был выбран второй, как наиболее простой в исполнении, надежный в эксплуатации и дешевый. Метод изготовления платы - травлением, т.е. проводящие дорожки получают вытравливанием ненужного слоя меди. Группа жесткости выбрана вторая согласно ОСТ4.077.000. Конфигурация печатной платы прямоугольная. Шаг координатной сетки был выбран равным 2,5мм, как наиболее предпочтительный. Установка радиоэлементов на плату проведена в соответствии с ОСТ4ГО.010.030-81 с высоким коэффициентом заполнения. Радиоэлементы, установленные на печатную плату, приведены в приложении Б «Спецификация к сборочному чертежу платы печатной».

При разработке печатной платы были использованы следующие рекомендации:

- размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными 5 при длине до 350мм;

- максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470мм;

- соотношение линейных размеров сторон не более 3:1;

- рекомендуется прямоугольная форма печатной платы;

- допускается расположение печатных проводников под углами 450 и 900;

- монтажные отверстия располагают в узлах координатной сетки, нанесенной с определенным шагом (2,5; 1,25; 0,625);

- на печатных платах должны быть предусмотрены фиксирующие отверстия;

- за нуль в прямоугольной системе координат принимают центр крайнего левого нижнего отверстия либо левый нижний угол печатной платы либо левую нижнюю точку, образованную линиями построения;

- контактные площадки выполняют прямоугольной или круглой формы и т.д.

5. Защита таймерного устройства от воздействия дестабилизирующих факторов

Учитывая принадлежность разрабатываемого таймерного устройства к классу бытовой переносной радиоэлектронной аппаратуры, а также условия его эксплуатации, можно выделить три основных вида дестабилизирующих факторов, воздействующих на прибор:

- тепловое воздействие;

- вибрационное воздействие;

- воздействие электромагнитных полей.

Рассмотрим способы защиты от этих факторов.

5.1 Обоснование способа защиты от теплового воздействия

Тепловой режим характеризуется совокупностью температур элементов, из которых состоит радиоэлектронное устройство. Радиоэлементы во время работы потребляют электрическую энергию, значительная доля которой затем превращается в тепловую энергию, что вызывает перегрев элементов и аппаратуры. Если не принять соответствующие меры, то это приведет к снижению надежности конструируемого изделия.

Для обеспечения заданной работоспособности элементов радиоаппаратуры необходимо, чтобы температура этих элементов не превышала допустимой температуры по техническим условиям.

В соответствии с этим задача конструктора сводится к отводу рассеиваемой в элементе электрической энергии при необходимости значении температуры элемента радиоэлектрической системы. Существует несколько способов достижения величины такой температуры элемента радиоаппаратуры:

- интенсификация теплоотдачи;

- уменьшение температуры окружающей среды за счет применения специальных охлаждающих устройств;

- увеличение поверхности теплообмена за счет применения специального теплоотвода.

Проанализировав тепловой режим таймерного устройсва, можно сказать, что теплонагруженных сильно радиоэлементов в устройстве нет. Из этого следует, что в приборе будет осуществляться естественное воздушное охлаждение, т.е. тепловая энергия, полученная воздухом внутри корпуса при конвективном теплообмене с зоной и внутренней поверхностью корпуса, выносится потоком проходящего воздуха в окружающую среду. Движение воздуха вызвано разностью температур, а, следовательно, и давлением внутри и снаружи аппарата. Качество такого охлаждения зависит от мощности, выделяемой устройством во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности. В нашем случае с целью улучшения теплообмена корпуса таймерного устройства и окружающей среды кожух прибора выполнен перфорированным, что легко реализуется и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения радиоаппаратуры.

5.2 Обоснование способа защиты от вибрации

Защита радиоэлектронных систем от механических воздействий осуществляется следующими группами методов:

- уменьшается интенсивность источников механических воздействий (путем их балансировки, уменьшения зазоров, виброизоляции самого источника механических воздействий);

- уменьшается величина передаваемых радиоэлектронной системе воздействий (путем их виброизоляции, устранения резонансов, активной виброзащиты с помощью маятников, эксцентриков и т.д.);

- используется наиболее прочные и жесткие компоненты и узлы.

Методы второй и третьей групп используют конструкторы радиоэлектронных средств, однако методы активной вибрации имеют ограниченное применение по причине высокой сложности и низкой надежности технических решений.

Устойчивость радиоаппаратуры к механическим воздействиям связана с транспортной вибрацией (аппаратура выключена) и с эксплуатационной (аппаратура включена). Вибропрочностью называют способность конструкции противостоять разрушающему воздействию вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений (не должно происходить силовых и усталостных разрушений). Виброустойчивостью называют способность конструкции радиоэлектронной системы выполнять свои функции при вибрации в заданных диапазонах частот и ускорений (не должно происходить изменения параметров аппаратуры: чувствительности, мощности излучения, паразитной модуляции). Виброизоляция осуществляется путем установки между радиоэлектронной системой и основанием упругих опор, образующих вместе с конструкцией аппаратуры сложную колебательную систему, которая обладает свойствами декларирования и частотной селекции механических колебаний. Декларирование заключается в поглощении механических колебаний за счет трения в материале конструкции упругой опоры (резине, поролоне, вибропоглощающем покрытии), сочленениях амортизатора. Частотная селекция механических колебаний заключается в том, что система виброизоляции в резонансной области является фильтром нижних частот, а при совпадении собственной частоты системы и частоты внешних воздействий переходят в резонансный режим.

Так как создаваемое таймерное устройство для фотопечати может быть отнесено к наземной радиоэлектронной системе, то при транспортировке, случайных падениях и т.п. он может подвергаться динамическим воздействиям. Изменения обобщенных параметров механических воздействий на наземную радиоэлектронную аппаратуру находится в пределах:

вибрация.. от 10 до 70Гц;

виброперегрузка.. от 1д до 4д;

ударные сотрясения.. от 10д до 15д;

длительность воздействия.. от 5 до 10мс;

линейные перегрузки.. от 2д до 4д.

Учитывая эти данные, характер эксплуатации прибора и климатические условия, выбираем пружинные с демпфированием амортизаторы типа АПН-1, с коэффициентом жесткости 6,8, с номинальной нагрузкой от 5 до 10Н расположив их симметрично по углам днища прибора.

5.3 Обоснование способа защиты от электромагнитных полей

При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источником электромагнитных полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех могут быть также мощные электронные установки, транспортные коммуникации, двигатели и т.д.

Для обеспечения электромагнитной совместимости аналоговых узлов используют системотехнические (передача аналоговой информации в цифровой форме и кодирование ее с помощью помехозащищенных кодов), схемотехнические (исключение необоснованного использования элементов с завышенной рабочей частотой, применение схем на основе дифференциальных усилителей, подавление помех с помощью режекторных фильтров, использование амплитудного и временного стробирования, прецизионных элементов и т.д.) и конструкторско-технологические методы (уменьшение числа конструкторско-технологических типов линий связи в одной цепи, ослабление паразитной связи путем разнесения источников и приемников помех, уменьшения длины взаимодействующих участков линий, использование материалов с малой диэлектрической проницаемостью; увеличение числа точек заземления, частичное экранирование печатных плат или введение экранов в трансформаторы; освоение производства изделий с улучшенными свойствами и т.д.).

...