1. Анализ потребности

2. Конструкторский анализ схемы электрической принципиальной

2.1 Принцип работы

2.2 Функциональный анализ

2.3 Анализ надежности

2.4 Анализ механических воздействий

2.5 Анализ по влажности и тепловому режиму, пылеустойчивости

2.6 Анализ технологичности

3. Определение стратегии конструирования

4. Компонование прибора

5. Конструирование ФУ на ПП

5.1 Выбор группы жесткости, класса точности и типа ПП

5.2 Выбор размеров ПП

5.3 Выбор материала основания и конструктивного покрытия

6. Выбор конструктивных материалов и проводов

7. Расчет размерных цепей

Список использованных источников

1. Анализ потребности

Стремясь к уменьшению габаритов конструируемой радиоаппаратуры, автомобилисты уделяют важное место миниатюризации блока питания. Обычно эту задачу решают с помощью импульсного преобразователя напряжения. Между тем существенный прогресс в области электронных компонентов позволяет создавать малогабаритные блоки питания, работающие по так называемому “трансформаторному” принципу, но не содержащие трансформатора. Относительная простота конструкции и доступность компонентов делают их привлекательными и для автомобилистов.

При малых мощностях сетевого блока питания зачастую используется бес трансформаторный вариант с гасящим конденсатором. Недостаток такого блока состоит в том, что потребляемый от сети ток примерно равен выходному и при увеличении выходной мощности становится очень большим. В то же время в трансформаторных блоках эти точки связаны коэффициентом трансформации. В связи с этим актуальным представляется конденсаторный блок питания, работающий по “трансформаторному” принципу.

На основе этих идей было сконструировано полностью бестрансформаторное зарядное устройство мощностью 150 Вт, масса которого не превышает 1 кг. Оно позволяет реализовать “тренировку” аккумуляторов - режима, при котором аккумулятор в течение одного полупериода сетевого напряжения заряжается, а затем разряжается меньшим током на балластный резистор.

Описываемый конденсаторный преобразователь напряжения предназначен для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей емкостью до 70 А*ч, поэтому максимальный средний выходной ток устройства должен быть 7 А.

2. Конструкторский анализ схемы электрической принципиальной

2.1 Принцип работы

Работает устройство следующим образом. При положительной полуволне напряжения сети заряжаются блок конденсаторов C1-C12 и накопительный конденсатор питания C13. При отрицательной полуволне включается светодиод оптрона U1, а его фототранзистор, открываясь, шунтирует эмиттерный переход транзистора VT1. Транзистор VT1 закрывается и через резистор R5 подключает неинвертирующий вход ОУ DA1 к выходу конденсаторного блока. Сам же ОУ при этом переключается и открывает транзисторы VT3, VT2 и светодиод оптрона U2.

На принципиальной схеме устройства выпрямительный диод VD38, конденсатор C13 и стабилитроны VD39, VD40 формируют напряжение питания узла управления, осуществляющего синхронизацию работы коммутирующих транзисторов VT2 и VT3 с полярностью напряжения сети и стабилизацию выходного тока.

ОУ DA1 работает в компаратором режиме, поэтому его выходной сигнал может принимать только два значения - близкое к напряжению питания и к нулю. Если напряжение на его инвертирующем входе больше, чем на неинвертирующем, выходное напряжение будет близким к нулю и транзистор VT3 окажется в закрытом состоянии. В противном случае напряжение на выходе ОУ близко к напряжению питания, транзистор VT3 открывается, а через резистор R10 - транзистор VT2 и оптрон U2.

Входным сигналом для стабилизации выходного тока служит напряжение на конденсаторном блоке. Оно связано с электрическим зарядом известными соотношениями: U=CQ и dU/dt=CdQ/dt=CI. Таким образом, изменение напряжения на конденсаторном блоке (его уменьшение) прямо пропорционально отданному в нагрузку заряду, поэтому, стабилизируя отдаваемый конденсаторным блоком заряд за время единичного цикла разрядки, устройство стабилизирует выходной ток. Его значение регулируют резистором R7. После закрывания транзистора VT1 напряжение с конденсаторного блока поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1 и сравнивается с образцом, поступающим на инвертирующий вход с делителя R6-R8. Когда напряжение на конденсаторном блоке становится меньше образцового, ОУ DA1 переключается в нулевое состояние и закрывает транзистор VT3, а через него (и нагрузку устройства) - и фотодинистор оптрона U2.

Если по каким-либо причинам напряжение на конденсаторном блоке не снизилось до образцового, а время отведенное на разрядку закончилось, работа блока для предотвращения попадания сетевого напряжения на выход устройства организована так. Напряжение отрицательной полуволны сети снижается до выключения светодиода оптрона U1 и, следовательно, закрывания его фототранзистора. Это приводит к открыванию транзистора VT1, шунтированию им неинвертирующего входа и переключению компаратора DA1 и, как следствие, закрыванию транзисторов VT3, VT2 еще до появления положительной полуволны сетевого напряжения. Таким образом, происходит принудительная синхронизация узла стабилизации тока с полярностью напряжения сети.

В устройстве предусмотрена возможность автоматического отключения заряжаемой батареи при напряжении на ней 14,2…14,4 В. Функцию порогового элемента выполняет электромагнитное реле К1 срабатывающее при напряжении около 10,5 В. При достижении порогового напряжения реле срабатывает и размыкающимися контактами К1.1 отключает питание конденсаторного блока и системы управления. Сама же обмотка реле остается под напряжением и выключается при снижении напряжения до 11,8В, после чего происходит автоматическая подзарядка батареи аккумуляторов.

Включение и выключение режима автоматического окончания зарядки осуществляют переключателем SA2.

Применение двух сетевых предохранителей и двухсекционного выключателя SA1 связанно с повышенными требованиями к электробезопастности из-за отсутствия гальванической развязки устройства от сети.

При налаживании и эксплуатации зарядного устройства необходимо помнить об отсутствии гальванической развязки от сети. Следовательно, подключать и отключать его от аккумуляторной батареи можно только при отключенной от сети вилки шнура питания.

2.2 Функциональный анализ

Функциональная схема зарядного устройства изображена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 Функциональная схема зарядного устройства

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 1 декомпозиции зарядного устройства не подходит, так как он имеет три функциональных узла, следовательно, прибор будет большим по размерам.

Варианты 2 и 3 наиболее всего подходят для декомпозиции прибора, но вариант 3 наиболее прост по конструкции, так как он не будет иметь жгутов и соединительных проводов между функциональными узлами.

2.3 Анализ надежности

Согласно ТЗ срок эксплуатации устройства 10 лет (87600 часов), чистое время работы 0,5 года (4320 часов).

Интенсивность отказов рассчитывается по формуле:

лi=л0ik1k2k3k4ai(Ti,kнi), (2.1)

где л0i - номинальная интенсивность отказов;

к1 и к2 - поправочные коэффициенты в зависимости от внешних воздействий;

к3- поправочный коэффициент в зависимости от влажности и температуры;

к4 - поправочный коэффициент в зависимости от температуры и давления;

аi(Тi,кнi) - поправочный коэффициент, зависящий от температуры и коэффициентов нагрузки.

Для всех элементов коэффициенты равны:

k1=1,04; k2=1,03; k3=2,0; k4=1,0

Значения интенсивности отказов для всех ИЭТ электронного барабана приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Значения интенсивности отказов

Вероятность безотказной работы в течение заданной наработки на отказ (0,tp) рассчитывается по формуле

P(tp)=exp(-?лitp). (2.2)

Среднее время наработки на отказ рассчитывается по формуле

T=1/Л, (2.3)

где

Л=? лi (2.4)

По формуле (2.1) рассчитывается интенсивность отказов каждого ФУ и вероятность безотказной работы.

Рассчитаем для варианта 2 и 3 интенсивность отказов каждого ФУ

л2ФУ=? л iФГ, (2.5)

где л iФГ - интенсивность отказов i-ой функциональной группы.

По формулам (2.1) и (2.2) найдем интенсивность отказов и вероятность безотказной работы каждого функционального узла. Результаты расчетов сведем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 Расчет интенсивности отказов и вероятности безотказной работы

Проанализировав таблицу, делаем вывод, что вероятность безотказной работы ФУ достаточно велика, поэтому ФУ можно соединить как разъемными, так и неразъемными соединениями (паяние, сварка). Если доля отказов менее 20%, то можно уверенно принимать разъемы, если более 40%, то должны быть только неразъемные соединения. В рассматриваемом случае можно использовать как разъемные, так и неразъемные соединения.

Вероятности безотказной работы ФУ варианта 2 и варианта 3 отличаются не намного, следовательно, для уменьшения габаритов зарядного устройства будим пользоваться вариантом 2.

По формулам (2.1), (2.3) и (2.4) найдем интенсивность отказов, среднее время наработки до отказа, вероятность безотказной работы всего изделия

л =(0,644+0,260+0,209+0,025+1,071+0,082+0,214+0,008+

+10,069+0,951+5,270)* 10-6=19,339*10-6 1/ч

Т=1/1,45*10-6=0,05*106 ч

Р(26250)=exp(-19,339*10-6*4320)=0,92=92%

Большое влияние на вероятность безотказной работы вносят предохранители, оптроны и диоды, следовательно, их необходимо размещать в местах легкого доступа к ним.

2.4 Анализ механических воздействий

4. Компонование прибора