Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка усилителя мощности звукового сигнала.

Усилитель мощности предназначен для усиления аудиосигналов и их трансляции на звуковоспроизводящие колонки и рупорные громкоговорители с трансформаторным входом.

Усилитель обеспечивает контроль цепей подключения громкоговорителей, передачу информации о неисправности цепей подключения громкоговорителей на прибор управления.

Контроль цепей подключённых громкоговорителей обеспечивается схемой контроля за счёт дополнительного контрольного шлейфа. Применение контрольного шлейфа позволило обеспечить проверку цепей независимо от числа подключённых громкоговорителей и их типа.

Схема контроля осуществляет поочерёдное тестирование каждого выходного провода усилителя вместе с соответствующим контрольным проводом. Контрольный провод может быть проложен отдельно от выходных цепей усилителя наиболее кратчайшим путём. Исходное состояние цепи, соответствующее её исправности, записывается в память схемы контроля на стадии наладки.

При обнаружении неисправности схема контроля замыкает входную цепь линии управления от прибора управления. Прибор управления, обнаружив неисправность выходной цепи, отображает её соответствующей световой и звуковой сигнализацией.

В ходе курсового проектирования решаются следующие задачи:

1. Проводится анализ технического задания с точки зрения конструктора РЭА.

2. Обосновывается элементная база и материалы проектируемого изделия.

3. Выбирается метод монтажа РЭА.

4. На этапе разработки конструкции печатной платы выполняется расчёт проводящего рисунка. Кроме того, оцениваются электрические параметры печатной платы.

5. Разрабатывается внутренняя компановка устройства.

1. Техническое задание

1.1 Наименование, шифр и основание для выполнения ОКР

Разработка усилителя мощности.

Основанием для разработки является программа курса "Конструирование РЭА" для высших учебных заведений, утвержденная Министерством образования Республики Беларусь.

1.2 Цели, задачи, назначение ОКР

Целью разработки является создание конструкции усилителя мощности, удобного при эксплуатации.

Назначение - усилитель мощности предназначен для усиления аудиосигналов и их трансляции на звуковоспроизводящие колонки и рупорные громкоговорители с трансформаторным входом.

Задачи - обеспечить контроль цепей подключения громкоговорителей, обеспечить передачу информации о неисправности цепей подключения громкоговорителей на прибор управления.

1.3 Технические требования

Требования к конструкторскому устройству

Конструкция усилителя мощности должна обеспечивать соответствие требованиям ГОСТ15150-69.

Конструкция усилителя мощности должна обеспечивать удобство при эксплуатации прибора.

1.4 Требования к надежности

Средняя наработка прибора на отказ То, не менее 20000 ч.

Установленный срок службы прибора не менее 10 лет.

Остальные требования к надежности по ГОСТ 27.003-90.

1.5 Требования к технологичности

Нормативное значение показателя технологичности должно соответствовать ОСТ 107.15.2011 -86.

1.6 Требования к уровню унификации и стандартизации

Количественные показатели уровня унификации и стандартизации должны быть не менее Кпр>20%, Кповт>1,25, Кму>30%.

1.7 Требования к безопасности и экологии

Конструкция прибора должна обеспечивать безопасное его обслуживание в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ 12.2.007-75, ГОСТ 12.2.006-87.

Степень жёсткости по устойчивости к воздействию электромагнитных помех по ГОСТ 30379 - вторая.

Конструкция оборудования должна обеспечить пожарную безопасность в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004-91.

Материалы, применяемые для изготовления составных частей (печатные платы) в части обеспечения требуемой огнестойкости должны соответствовать ТУ2296-001-00213060-94 и ТУ2296-005-00213060-96.

1.8 Эстетические и эргономические требования

Требования по технической эстетике и эргономике должны соответствовать ОСТ 4.270.000-83.

1.9 Требования к патентной чистоте

Усилитель мощности должен обладать патентной чистотой относительно ведущих стран в данной области техники.

1.10 Требования к маркировке и упаковке

Маркировка оборудования должна отвечать требованиям ГОСТ 20.39.308-76.

Маркировку следует наносить на несъемных частях доступных для обзора.

Упаковка прибора должна соответствовать требованиям ГОСТ 15150-69 исполнение УХЛ4.2.

2. Анализ исходных данных и основные технические требования к разрабатываемой конструкции

2.1 Анализ климатических факторов

В соответствии с техническим заданием усилитель мощности должен эксплуатироваться в макроклиматических районах с умеренным климатом - УХЛ, категория - 4.2.

К макроклиматическому району с умеренным климатом относятся районы, где средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже плюс 40 °С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше минус 45 °С.

Нормальные значения рабочей температуры окружающей среды при эксплуатации измерителя составляют:

- верхнее значение +40 °С;

- нижнее значение +5 °С;

- среднее значение +20 °С.

Для предельных рабочих температур:

- верхнее значение +40 °С;

- нижнее значение + 5 °С.

Величина изменения температуры окружающего воздуха за 8 ч составляет 40 °С.

Среднемесячное значение относительной влажности воздуха для УХЛ 4.2 в наиболее теплый и влажный период составляет 80% при 20 °С, продолжительность - 12 месяцев. Верхнее значение влажности - 98% при температуре 25 °С.

При эксплуатации АТС верхнее рабочее значение атмосферного давления составляет атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа. Условия хранения: отапливаемые и вентилируемые склады, хранилища с кондиционированием воздуха.

Температура воздуха: верхняя +40°С, нижняя +5°С. Влажность: 80% при 20°С, максимальная 98% при 25°С.

2.2 Принцип работы разрабатываемого усилителя мощности

Усилитель мощности реализован по классической схеме мостового усилителя звуковых частот, работающего в режиме «А».

Напряжение звукового сигнала с выхода усилителя поднимается до 100В повышающим трансформатором.

Контроль цепей подключённых громкоговорителей обеспечивается схемой контроля за счёт дополнительного контрольного шлейфа. Применение контрольного шлейфа позволило обеспечить проверку цепей независимо от числа подключённых громкоговорителей и их типа.

Схема контроля осуществляет поочерёдное тестирование каждого выходного провода усилителя вместе с соответствующим контрольным проводом. Контрольный провод может быть проложен отдельно от выхдных цепей усилителя наиболее кратчайшим путём. Исходное состояние цепи, соответствующее её исправности, записывается в память схемы контроля на стадии наладки.

При обнаружении неисправности схема контроля замыкает входную цепь линии управления от прибора управления. Прибор управления, обнаружив неисправность выходной цепи, отображает её соответствующей световой и звуковой сигнализацией.

3. Выбор и обоснование элементной базы, установочных изделий и материалов конструкции

3.1 Выбор элементной базы

Выбор элементной базы является основным пунктом в процессе практической реализации проектируемого изделия. Это важно, так как от выбора элементов зависят габаритные размеры, надёжность изделия, потребление энергии электроприбором, стоимость изделия, а также его приспособленность к климатическим условиям.

Критерием выбора элементной базы электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям работы и условиям эксплуатации.

Основными критериями при выборе ЭРЭ являются:

а) Технические параметры:

номинальные значения параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схеме устройства;

допустимые отклонения величин ЭРЭ от номинальных значений;

допустимые рабочие напряжения ЭРЭ;

допустимые рассеиваемые мощности ЭРЭ;

диапазон рабочих частот ЭРЭ;

коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

б) Эксплуатационные параметры:

диапазон рабочих температур;

относительная влажность воздуха;

давление окружающей среды;

вибрационные нагрузки.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются:

унификация ЭРЭ;

- масса и габариты ЭРЭ;

наименьшая стоимость;

надежность.

Выбор элементной базы по выше названным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия.

Применение принципов стандартизации и унификации при выборе ЭРЭ, 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 РЭА, 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.

Выбор элементной базы производится с учетом вышеперечисленных требований.

Сравнительный анализ по использованию элементной базы в данном корректоре согласно предложенной схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технических характеристик ЭРЭ заданным техническим условиям.

Сопоставление условий эксплуатации и технических условий на использование элементной базы состоит в следующем: из справочной литературы берем данные об условиях эксплуатации микросхемы PIC 16F676-1/SN:

интервал рабочих температур: -20 +70 оС;

относительная влажность воздуха при 25 оС: до 98 %;

атмосферное давление: 6,7*102...3105 Па;

напряжение питания: 15 В 10 %;

ток потребления: меньше либо равен от 0,7 до 3 мА.

Из справочной литературы берем данные об условиях эксплуатации микросхемы 78L05:

интервал рабочих температур: -20 +65 оС;

относительная влажность воздуха при 25 оС: до 98 %;

атмосферное давление: 6,7*102...3105 Па;

напряжение питания: 15 В 10 %;

ток потребления: меньше либо равен от 0,7 до 3 мА.

Проанализировав вышестоящие значения, заключаем, что выбранный тип микросхем пригоден для эксплуатации в данных условиях.

Из справочной литературы берем следующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов типа CapXon:

температура окружающей среды: -55..+70 оС;

относительная влажность воздуха при 25 оС: до 98 %;

атмосферное давление: 6,7*102...3105 Па.

Из справочной литературы берем следующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов типа GRM42-6X7R:

температура окружающей среды: -40..+60 оС;

относительная влажность воздуха при 25 оС: до 98 %;

- атмосферное давление: 6,7*102...3105 Па.

Исходя из этого, заключаем, что выбранный тип конденсаторов пригоден для эксплуатации в данных условиях.

Из справочной литературы берем следующие данные об условиях эксплуатации транзистора КТ3130A9:

- постоянное напряжение коллектор-эмиттер: 40 В;

ток коллектора: 100 мА;

средняя рассеиваемая мощность на коллекторе: 150 мВт;

температура окружающей среды: от -60 до +100 оС;

общее тепловое сопротивление: 120 оС/мВт.

температура перехода: 1500С.

Исходя, из этого заключаем, что выбранные типы транзисторов пригодны для эксплуатации в данных условиях.

Сопоставляя остальные радиоэлементы по условиям эксплуатации получаем, что все радиоэлементы пригодны для использования в данной схеме в данных условиях. Выбранная элементная база является унифицированной.

3.2 Выбор материалов конструкции

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

Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

1. Иметь малую стоимость.

2. Легко обрабатываться.

3. Обладать достаточной прочность и жёсткостью.

4. Внешний вид материалов лицевой и задней панелей должен отвечать требованиям технической эстетики.

5. Сохранять свои физико-химические свойства в процессе эксплуатации.

Для изготовления слоев двусторонних печатных плат(ДПП) в качестве основания используется стеклотекстолит, для получения которого применяют стеклянную безщелочную ткань и эпоксифенолоформальдегидный лак. Пропитку стеклоткани лаком производят на вертикальных пропиточных машинах, снабженных сушилкой. Пропитанная и просушенная стеклоткань наматывается на барабан. Затем эта стеклоткань, находящаяся в стадии неполного отвердения, и фольга нарезаются на листы необходимого размера. Склеивание фольги и стеклотекстолита производится на гидравлических прессах. Установлено, что оптимальным режимом термообработки является выдержка заготовок ДПП после прессования в камере тепла при 140 °С в течение 2ч. Термообработка заготовок ДПП в указанном режиме делает более стабильными характеристики твердости материала и расширяет диапазон его рабочих температур.

Таким образом, при выборе материала для изготовления ДПП было отдано предпочтение стеклотекстолиту типа СФ-2-55-1,5 ТУ16-503271-86. Это теплостойкий стеклотекстолит фольгированный с двух сторон гальваностойкой фольгой толщиной 55 мкм, толщина стеклотекстолита - 1,5 мм.

В качестве материала корпуса выбираем сталь 3 (ГОСТ 19903-74), т.к. это дешевый, ударопрочный, имеющий хорошие литейные свойства материал, отличающийся химической и водостойкостью.

4. Выбор и обоснование компоновочной схемы, методов и принципа конструирования

4.1 Выбор принципа конструирования

В настоящее время получили широкое распространение такие принципы конструирования, как моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой, функционально-узловой и модульный.

Моносхемный принцип конструирования заключается в том, что полная принципиальная схема радиоэлектронного аппарата располагается на одной печатной плате и поэтому выход из строя одного элемента приводит к сбою всей системы. Оперативная замена вышедшего из строя элемента затруднена из-за сложности его обнаружения.

При схемно-узловом принципе конструирования на каждой из печатных плат располагают часть полной принципиальной схемы радиоаппарата, имеющую четко выраженные входные и выходные характеристики.

Каскадно-узловой принцип конструирования заключается в том, что принципиальную схему радиоаппарата делят на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельных функций.

Функционально-узловой принцип конструирования нашел широкое распространение при разработке больших РЭА. Базовым элементом конструкции здесь является типовой элемент замены (ТЭЗ). Имея необходимый набор ТЭЗ, можно построить целый ряд РЭС с различными техническими характеристиками.

При модульном принципе конструирования основные функциональные узлы взаимосвязаны с помощью одного канала. Чтобы установить связь с модулем-приемником, модуль передатчик посылает нужный сигнал вместе с адресом по шине. Сигналы поступают на входы всех подключенных к каналу модулей, но отвечает только запрашиваемый. Применяя этот принцип, можно построить РЭА с практически неограниченной сложностью, сохраняя при этом гибкость в ее организации, так как разработчик использует ровно столько модулей, сколько ему требуется. Разработчик может также легко модернизировать конструкцию, меняя или добавляя отдельные модули и получая при этом различные параметры. Именно по этому принципу построена проектируемая ЛТС.

4.2 Общие требования к конструкции усилителя мощности

Компоновочная схема определяется количеством и видом составных элементов и их расположением. Все компоновочные схемы подразделяются на две группы:

- централизованные;

- децентрализованные.

Децентрализованные компоновочные схемы применяются для устройств обладающих мощными выходными блоками, источниками помех и т.д. В этом случае блок разносится по несколькими корпусам.

В нашем случае можно использовать централизованную компоновочную схему, которая предполагает, что все элементы расположены в одном корпусе.

На компоновочную схему оказывают влияние вспомогательные элементы. Это различные индикаторы, ручки управления, переключатели. В настоящее время РЭА компонуется из субблоков вида печатных плат.

Всю схему усилителя можно расположить на двух печатных платах:

1 Блок усилителя;

2 Блок контроля.

При конструировании данного устройства применён базовый метод конструирования. Этот метод чаще всего применяется в радиоэлектронной промышленности при проектировании РЭА. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно- и схемнозаконченные части. Базовый метод конструирования основывается на принципах агрегатирования, функциональной и схемной взаимозаменяемости, схемной и конструктивной унификации.

Данный метод позволяет одновременно вести работу над многими узлами и блоками. На этапе производства, базовый метод конструирования позволяет уменьшить сроки освоения серийного производства аппаратуры. При эксплуатации повышается эксплуатационная надёжность РЭА, облегчается обслуживание, улучшается ремонтопригодность аппаратуры.

4.3 Описание конструкции прибора

Корпус предназначен для размещения в нем плат блока усилителя и блока контроля.

Габаритные размеры корпуса:

- высота - 40мм;

- ширина - 85мм;

- длинна - 120мм.

Корпус конструктивно состоит из крышки и основания.

Крепления отдельных сборочных единиц в корпусе осуществляться 10-ю винтами М3.

Максимальный вес корпуса не более 1,2 кг.

5. Выбор способов и средств теплозащиты, герметизации, виброзащиты и экранирования

В настоящее время широкое распространение в технике получили следующие системы охлаждения: воздушные и жидкостные. В системе воздушного охлаждения в качестве теплоносителя используется воздух. Система жидкостного охлаждения обеспечивает охлаждение и термоизоляцию РЭС за счёт принудительной циркуляции жидкости в конструкциях с повышенным тепловыделением. Теплоноситель - антифризы, фторсодержащие жидкости, вода. В некоторых случаях применяется локальная испарительная система, снижающая температуру на отдельных тепловыделяющих поверхностях РЭС за счёт испарения теплоносителя (спирт, вода, ацетон, фреоны).

Решения по выбору той или иной системы охлаждения принимается по результатам расчёта плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена. Естественное воздушное охлаждение обеспечивает приемлемый тепловой режим конструкции. Дополнительное усиление теплозащиты конструкции осуществляется за счёт отверстий в корпусе, которые позволяют увеличить интенсивность теплообмена.

Герметизация блоков РЭС осуществляется для предотвращения воздействия влияния климатических факторов схемы электрической изделия. При этом внутри герметизированной конструкции блока создаётся благоприятный микроклимат для функционирования изделия. Для этого внутренний объём герметизированного блока заполняется инертным газом или смесью газов с избыточным давлением не более 12·104 Па. Обычно для этого используют азот (газ, близкий по своим тепловым характеристикам к воздуху). Применение полной герметизации для разрабатываемого изделия не представляется возможным, т.к. в корпусе имеются отверстия, кроме того, при полной герметизации не обеспечивается условия ремонтопригодности (электрическая схема имеет подстроечные элементы). Выбранная элементная база обеспечивает функционирование изделий во всём диапазоне климатических воздействий, поэтому применение герметизации нецелесообразно.

Все виды РЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются каждой детали входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭС, если она эксплуатируется на подвижном объекте, или только при транспортировке её в нерабочем состоянии - в случае стационарной аппаратуры. Разрабатываемое изделие относится к группе стационарной, поэтому необходимо обеспечить только вибрационную прочность - прочность при заданной вибрации и после её прекращения. Это осуществляется выбором конструктивного исполнения нагруженных деталей и проведением соответствующих проверочных расчётов. При разработке конструкции обеспечивается требуемая жёсткость и механическая прочность её элементов. Повышение прочности конструкции осуществляется усилением её конструктивной основы, применением рёбер жесткости и т.д.

Рассмотрим возможные способы экранирования, которые применяются в конструкциях РЭС. Электростатическое экранирование - это вид экранирования, заключающийся в шунтировании большей части (или всей) паразитной ёмкости конденсатором на корпус.

Магнитостатическое экранирование используется для защиты чувствительных цепей, элементов и устройств постоянного и медленно изменяющегося переменного магнитного поля. В этом случае источник или приёмник наводки заключают в сплошной экран, изготовленный из ферромагнитных материалов. Если в такой экран заключён источник наводки, то магнитные силовые линии замыкаются в нём и далее не распространяются. Если в экран заключён приёмник наводки, то силовые магнитные линии не проникают в полость экрана.

Электромагнитное экранирование. Переменное высокочастотное электромагнитное поле при прохождении через металлический лист либо перпендикулярно, либо под некоторым углом к его плоскости, наводит в этом листе вихревые токи, поле которых ослабит действие внешнего поля. Металлический лист в данном случае является электромагнитным экраном.

Выбор конструкции экрана производится исходя из критериев минимизации массы и габаритных размеров экранов и всего изделия в целом.

6. Расчёт конструктивных параметров изделия

6.1 Выбор компоновочного блока

Основная компоновочная схема изделия определяет многие важнейшие характеристики РЭС: габариты, вес, объем монтажных соединений, способы защиты от полей, температуры, механических воздействий, ремонтопригодность.

Различают три основные компоновочные схемы РЭС:

централизованная;

децентрализованная;

централизованная с автономными пультами управления.

Каждая из этих схем обладает своими достоинствами и недостатками.

При централизованной компоновке все элементы сложной системы располагаются в одном отсеке на специальных этажерочных конструкциях или шкафах, длина и количество межблочных соединений сведены к минимуму, ремонт и демонтаж наиболее удобны, легче выполнить качественные системы охлаждения и амортизации. Такая компоновочная схема требует более тщательной экранировки, вызывает затрудненность компоновки изделия, часто требующей доработки его, обладает относительно меньшей надежностью систем охлаждения, герметизации, виброзащиты.

Децентрализованная компоновочная схема обеспечивает относительно большую легкость размещения элементов изделия на объекте, не требуется тщательная экранировка отдельных блоков, при соответствующих схемных решениях может быть более надежной, сохраняя частичную работоспособность при выходе из строя отдельных элементов изделия. Недостатком является значительная длина межблочных соединений, затруднен полный демонтаж системы, для каждого отдельного блока необходимо предусматривать автономные системы охлаждения, виброзащиты.

Наиболее распространен способ централизованной компоновки, при котором все элементы сложной РЭС, кроме входных и управляющих устройств, распологают в одном участке или отсеке прибора. Однако внутри этого отсека компоновка выполняется в виде совокупности отдельных блоков и приборов.

6.2 Расчёт теплового режима

Расчет теплового режима РЭС заключается в определении по исходным данным температуры нагретой зоны и температур поверхностей теплонагруженных радиоэлементов и сравнения полученных значений с допустимыми для каждого радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации.

Определяем среднюю температуру воздуха в блоке.

Исходными данными для проведения последующего расчета являются:

Kз- коэффициент заполнения по объему 0,4;

суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 20;

давление окружающей среды, кПа 84;

давление внутри корпуса, кПа 84;

габаритные размеры корпуса, м 0,0850,1200,040;

температура окружающей среды, С 20.

Sпер , м2 0,001м;

Средний перегрев нагретой зоны неперфорированного корпуса блока с естественным воздушным охлаждением определяется по следующей методике:

Рассчитывается поверхность корпуса блока:

,

где L1, L2 - горизонтальные размеры корпуса, м;

L3 - вертикальный размер, м.

Для разрабатываемой конструкции блока L1 = 0,085м, L2 = 0,120м, L3 = 0,040м. Подставив данные в (6.1), получим:

м2.

Определяется условная поверхность нагретой зоны:

,

где kЗ - коэффициент заполнения корпуса по объему. В нашем случае kЗ = 0,4. Подставляя значение kЗ в (6.2), получим:

м2.

Определяется удельная мощность корпуса блока:

,

где Р - мощность, рассеиваемая в блоке. Для разрабатываемого блока Р=20Вт.

Тогда:

Вт/м2.

Определяется удельная мощность нагретой зоны:

.

Вт/м2.

Находится коэффициент 1 в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

град.

Находится коэффициент 2 в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

град.

Определяется коэффициент КН1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

,

где Н1 - давление окружающей среды в Па. В нашем случае Н1=84кПа. Подставив значение Н1 в (6.7), получим:

.

Определяется коэффициент КН2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:

,

где Н2 - давление внутри корпуса в Па.

Для неперфорированного корпуса Н2=64кПа. Тогда:

.

9. Рассчитывается перегрев корпуса блока:

град.

Определяется перегрев нагретой зоны:

град.

Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

град.

Определяется температура корпуса блока:

град.

Определяется температура нагретой зоны:

град.

Находится средняя температура воздуха в блоке:

град.

Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого прибора обеспечивается нормальный тепловой режим применяемых в нем радиоэлементов в процессе эксплуатации, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин. усилитель мощность изделие конструирование

Таким образом, выбранная конструкция корпуса и естественного способа охлаждения путем конвекции воздуха не нуждается в изменении и применении в ней других способов охлаждения. Естественный способ охлаждения является наиболее легко реализуемые и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения РЭС.

6.3 Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы

В данном разделе проводится расчет параметров печатного монтажа цифровой платы. Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом и имеет 3-й класс точности. Исходными данными являются: толщина фольги 35 мкм, максимальный ток через проводник 750 мА, максимальная длина проводника 0,1 м, допустимое падение напряжения на проводнике 0,1 В, максимальный диаметр выводов микросхем 0,5 мм, размеры платы 80х64 мм, расстояние между выводами микросхемы 2,5 мм.

1.Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

,

где Imax - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

jдоп - допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовлени. В нашем случае jдоп = 48 А/мм2;

t - толщина проводника, мм.

Подставляя значения в (6.15), получим:

мм.

2.Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

,

где - удельное объемное сопротивление.

Для нашего случая = 0,0175 Оммм2/м;

UДОП - допустимое падение напряжения.

мм.

3.Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

,

где dЭ - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

dн.о - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия. dн.о = 0,1;

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм.

мм.

4.Рассчитываем диаметр контактных площадок. Минимальный диаметр, мм, контактных площадок для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом способе получения рисунка

,

где hф - толщина фольги;

Dmin - минимальный эффективный диаметр площадки:

,

где bм - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

d и p - допуски на расположение отверстий и контактных площадок.

dmax - максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

,

где d - допуск на отверстие.

В нашем случае bм =0,035 мм, p =0,25 мм, d =0,1 мм, d = 0,05 мм.

Подставляя значение d в (6.20), получим:

мм.

Подставляя значения bм , p, d, dmax в (6.19), получим:

мм.

Подставляя полученное значение D1min в (6.18), получим:

мм.

Максимальный диаметр контактной площадки:

.

мм.

5.Определяем ширину проводников. Минимальная ширина проводников, мм, для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

,

где b1min - минимальная эффективная ширина проводника, b1min = 0,18 мм для

плат 1-, 2-, 3-го класса точности. Подставляя значение b1min в (6.22), получаем

мм.

Максимальная ширина проводников

мм

6.Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой

,

где L0 - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

l - допуск на расположение проводников. В нашем случае l = 0,05 мм.

Подставляя значения в (6.24), получим:

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками

.

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками

.

мм

6.4 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

Все виды РЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭС, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭС. При разработке конструкции РЭС необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность элементов.

Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции достигается усилием конструктивной основы: контроля болтовых соединений, повышение прочности узлов методами заливки и обволакивания. Во всех случаях нельзя допустить образование механической колебательной системы.

6.4.1 Расчет собственных частот колебаний элементов

При расчете частот собственных колебаний конструкцию РЭС условно заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны аналитические зависимости. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема возможно ближе соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы. Так как резонансные частоты вредны для всех радиоэлементов, то при конструировании необходимо хотя бы приближенно определять частоты собственных колебаний элементов.

Так как у нас резисторы и конденсаторы поверхностно монтируемые то их собственная частота мало отличается от частоты платы.

В этом случае расчет собственной частоты колебаний микросхемы можно произвести.

,

где Е - модуль упругости материала балки,Н/м2. В нашем случае Е=0,71011 Н/м2;

М - сосредоточенная масса. В нашем случае М = 3г.

I - момент инерции балки, м4. Момент инерции для выводов микросхемы рассчитывается по (6.28)

,

где D - диаметр вывода ИМС. D = 0,5 мм.

м4.

m - приведенная погонная масса. В нашем случае m = 0,015 г/мм.

Подставляя значения в (6.27), получим

 кГц.

Так как полученные значения частот собственных колебаний ИМС выше верхней частоты воздействующих вибраций (150 Гц), то можно сделать вывод о том, что элементы не будут усиливать колебания (коэффициент динамичности в этом случае равен 1).

6.4.2 Расчет собственной частоты печатной платы

Применительно к печатной плате используется следующая формула для расчета собственной частоты:

Гц,

где Km - коэффициент, учитывающий материал, из которого выполнена плата;

Kb - коэффициент, учитывающий наличие ЭРЭ;

В - коэффициент, зависящий от варианта закрепления пластины и соотношения сторон ;

h - толщина пластины.

,

где Е - модуль упругости материала, из которого выполнена плата;

- плотность материала, из которого выполнена плата;

ЕS - модуль упругости для стали;

S - плотность стали.

,

где mЭ - масса элементов;

mn - масса платы.

Печатная плата цифровая выполнена из стеклотекстолита. Его плотность равна: = 2 г/см3. Коэффициент, учитывающий материал Km = 0,74. Размеры платы (80х64х1,5)мм. Масса элементов - 157г.

По (6.32) определяем массу платы:

,

Подставляя значения в (6.32), находим:

г.

Подставляя данные в (6.31), получим:

.

Значение коэффициента В для способа закрепления платы, представленного на рис. 6.2, равно 93.

Подставляя значения в (6.29), получим значение собственной частоты платы усилителя.

Гц.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию:

,

где - безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций, 35.

b - размер короткой стороны платы, 64мм.

nbmax - вибрационные перегрузки в единицах g, 3...10.

Гц.

Условие выполняется: , таким образом, плата будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций

6.5 Полный расчет надежности

Надежность есть свойство системы сохранять величины выходных параметров в пределах установленных норм при заданных условиях. Под “заданными условиями” подразумеваются различные факторы, которые могут влиять на выходные параметры системы и выводить их за пределы установленных норм.

Для получения более или менее достоверных расчетных данных о надежности разрабатываемого изделия необходимо располагать аналитическими зависимостями, в наилучшей степени характеризующими взаимосвязи параметров элементов с выходными параметрами изделия, степенью влияния параметров элементов на выходные параметры изделия, то есть “вес” каждого элемента в общей надежности изделия. Нужно знать поведение параметров элементов от действующих на них нагрузок, определяющихся режимом их использования и внешними воздействиями. Кроме того, необходимо иметь сведения о вероятности появления возможных уровней режимов и внешних воздействий, а также степени взаимосвязей и взаимозависимостей элементов.

Поскольку элементы в общем случае могут находиться в рабочем режиме различное время, отличающееся от рабочего времени изделия, это также должно учитываться при расчете надежности. Расчет усилителя выполнен с учетом следующих допущений:

отказы элементов являются случайными и независимыми процессами или событиями;

учет влияния условий эксплуатации производится приблизительно;

параметрические отказы не учитываются;

вероятность безотказной работы элементов от времени изменяется по экспоненциальному закону.

Нам необходимо рассчитать полную надежность прибора при работе в условиях воздействия повышенных температур.

Исходные данные для расчета надежности усилителя в условиях повышенных температур окружающей среды приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 Исходные данные для расчета надежности при воздействии повышенной температуры окружающей среды:

N п/п	Наименование элементов	0i10-6, 1/час	Кол-во элементов	0i10-6, 1/час	kн	1,2	3,4	П(i)	i, час
1	ИМС	0,08	2	0,16	0,7	2,5	2	5	0,6
2	Транзисторы	0,04	10	0,4	0,7	0,9	2	1,8	0,4
3	Диоды	0,02	8	0,16	0,7	1	2	2	0,4
4	Резисторы постоянные	0,005	23	0,115	0,6	0,9	2	1,8	0,6
6	Конденсаторы	0,005	5	0,025	0,6	0,15	2	0,3	0,5
7	Конденсаторы электролитические	0,55	2	1,1	0,5	0,3	2	0,6	0,5
10	Плата печатная	0,02	2	0,04	0,7	0,35	2	0,7	3
11	Винты	0,001	21	0,021	0,5	0,35	2	0,7	0,4
12	Соединения пайкой	0,04	3620	14,8	0,6	1,1	2	2,2	0,2
13	Несущая конструкция	0,3	1	0,3	0,7	0,35	2	0,7	1

Интенсивность отказов рассчитывается.

,

где i 0 - справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;

m - общее число учитываемых эксплуатационных факторов;

j - поправочный коэффициент, учитывающий j-ый фактор (температуру-1; коэффициент электрической нагрузки-2; влажность-3; механические воздействия-4; и другие факторы режима и условий работы элементов k...p);

n - общее число элементов конструкции.

В наших расчетах используются комбинированные поправочные коэффициенты:

1,2 - учитывающий одновременно температуру и электрический режим;

3,4 - учитывающий одновременно кинематические и механические нагрузки.

Для определения поправочных коэффициентов j, воспользуемся обобщенными таблицами и графиками.

Средняя наработка на отказ данного изделия определяется.

.

Среднее время восстановления

где qi - вероятность отказа из-за выхода из строя элемента i-ой группы;

k - число групп элементов.

Вероятность восстановления

где - заданное время восстановления.

Коэффициент готовности

Коэффициент ремонтопригодности.

.

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления.

.

Доверительные границы для наработки на отказ.

,

где n = 10...15 - число отказов достаточных для определения надежности;

= 0,9...0,99 - достоверность определения границ;

;

2 - функция, определяемая в зависимости от числа степеней свободы и доверительной вероятности.

Параметры надежности, полученные в результате расчета, сведены в таблицу 6.2.

Таблица 6.2 Результаты расчета надежности:

Параметры надежности	Значения
Средняя наработка на отказ	102839,7
Вероятность безотказной работы	0,93
Среднее время восстановления	0,3
Вероятность восстановления	0,99712
Коэффициент готовности	0,9999
Коэффициент ремонтопригодности	0,0001
Вероятность безотказной работы с учетом восстановления	0,98789
Доверительные границы для наработки на отказ	202315,3...402386,5

Как видно из результатов расчета, приведенных в таблице 6.2, полученные значения полностью соответствуют заданным в техническом задании.

7. Выбор и обоснование автоматизированного проектирования

Одной из важнейших задач конструирования РЭА является максимальное внедрение методов автоматизированного проектирования, что в итоге должно привести к минимальному участию человека в процессе создания конструкции. Основную работу по созданию конструкции проводит ЭВМ, оснащенная соответствующим информационным и программным обеспечением.

Проектирование РЭА и создание оптимального технического решения в сжатые сроки связано с трудностями, основными из которых являются;

- невозможность учета человеком огромного количества разнообразных факторов, влияющих на техническое решение;

- большая трудоемкость и стоимость изготовления макета изделия, особенно при интегральной технологии;

- сложность имитации условий, в которых должна работать современная РЭА.

Один из путей преодоления этих трудностей без существенного увеличения численности работающих - использование возможностей современных ЭВМ, что позволяет заменить макет радиоэлектронного узла его математической моделью, комплекс измерительно-испытательного оборудования - программами анализа, оптимизации и испытаний, а затем обработать узел на ЭВМ при помощи этого математического комплекса.

В процессе проектирования возникает необходимость большого числа вычислений, обращения к стандартным алгоритмам решения типовых задач, увязки различных, зачастую противоречивых требований этапов функционального и конструкторского проектирования, а также проверки правильности результатов различных этапов проектирования. В связи с этим целесообразно объединить отдельные алгоритмы в единую автоматическую систему конструкторского проектирования (САПР КП), ориентированную на конкретную базу конструкций.

Необходимо иметь в виду, что изменение конструкторской базы требует переработки многих программ и алгоритмов существующих САПР. Разрабатываемые языки и системы программ должны быть по возможности универсальными и минимально зависящими от конструктивно-технологическими особенностей проектируемых модулей. Учитывая сложность программ, целесообразно разработку САПР ориентировать на РЭА определенного класса, используя иерархический принцип ее конструкций.

Система проектирования печатных плат P-CAD является интегрированным набором специализированных программных пакетов, работающих в интерактивном режиме. Средства системы позволяют проектировать принципиальные электрические схемы, печатные платы, в том числе многослойные, а также получать конструкторскую документацию.

В данном проекте был использован P-rCAD, с помощью которого была разработана схема электрическая принципиальная, разведена и откорректирована печатная плата.

Также, при помощи системы ACAD, были спроектированы сборочные чертежи печатной платы и корпуса.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта по разработке конструкции усилителя мощности были учтены современные требования конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Конструктивно усилитель состоит из стального корпуса с размещенными внутри него платами.

Основными критериями при разработке прибора являлись следующие:

обеспечение минимальных габаритов устройства;

простота и удобство эксплуатации;

высокая ремонтопригодность;

высокая надежность прибора;

достижение минимальных стоимостных показателей;

безопасность при эксплуатации.

Спроектированный измеритель концентрации углеводорода имеет следующие характеристики:

а) габариты:

длина 0,12м;

высота 0,040м;

ширина 0,085м.

б) технические:

потребляемая мощность не более 20 Вт;

электропитание измерителя осуществляется от сети;

Усилитель изготовлен в климатическом исполнении У категории 3 по ГОСТ 15150-69 и предназначен для эксплуатации при температуре воздуха от -5 до 40 єС (возможна кратковременная работа при температуре до минус 20 єС), атмосферном давлении от 84 до 106,7кПа и относительной влажности воздуха до 98% при 25 єС.

Литература

1. Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы/В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович, Л.Г. Юдовин. - Мн.: Высш. шк.,1988.

2. ГОСТ 15150-69 . Машины, приборы и другие технические изделия, Исполнение для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранение и транспортирование в части воздействия климатических факторов внешней среды.

3. Достанко А.П., Ланин В.Л., Хмыль А.А. Методическое пособие к курсовому проектированию по курсу “Технология радиоэлектронной аппаратуры и оборудование” для студентов специализации "Технология электоронной аппаратуры"- Мн.: МРТИ, 1987.

4. Конструкторская документация. Чертежи деталей:Учеб. пособие по курсу “Конструирование РЭУ” для студентов спец. “Проектирование и производство РЭС” всех форм обучения /Ж.С. Воробьева, Н.С. Образцов, Н.А. Смирнова, И.Н. Цырельчук.- Мн.:БГУИР, 2003.

5."Теплообмен в РЭА": Конспект лекций по курсу "Конструирование РЭС" для студентов спец. "Моделирование и компьютерное проектирование РЭС" и "Проектирование и производство РЭС" дневной формы обучения / Н.С. Образцов, А.М. Ткачук, Э.П. Куракина. - Мн.:БГУИР,2003.

6. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для студентов специальности "Конструирование и технология радиоэлектронных средств" /Н. С. Образцов, В, Ф. Алексеев, С.Ф. Ковалевич и др.; Под ред. Н.С. Образцова.- Мн.: БГУИР, 1994.- 201 с.

7. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования,

Размещено на Allbest.ru

...