Вторичный источник электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Увеличение темпов технического прогресса во многих областях современной техники относится, прежде всего, к радиоэлектронике и автоматике.

Радиоэлектронная аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жёсткие требования к качеству потребляемой ими энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника.

Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходит развитие преобразовательной техники статических средств вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, которые осуществляют необходимые преобразования электрической энергии, обеспечивая при этом требуемые значения питающих напряжений, как постоянного, так и переменного токов; изоляцию электрических цепей питания друг от друга и первичного источника; высокую стабильность вторичных напряжений в условиях значительного изменения первичного питающего напряжения и тока нагрузки; эффективное подавление пульсаций во вторичных питающих цепях постоянного тока.

Полученные в этой области качественно новые результаты, а именно обеспечение высокой надёжности, экономичности и большого срока службы средств вторичного электропитания при их сравнительно малых габаритах и весе, обусловлены переходом на полупроводниковую элементную базу.

Современные средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры вышли за рамки класса простейших радиоэлектронных устройств и представляют собой достаточно сложные устройства, содержащие разнообразные функциональные узлы, выполняющие те или иные функции преобразования электрической энергии и улучшения её качества.

Прогресс в разработке и совершенствовании переносных, передвижных и стационарных автономных объектов различного назначения, территориально удалённых от промышленных энергетических систем вызвал необходимость разработки систем автоматики от первичной сети постоянного тока.

Таким образом, создан обширный класс полупроводниковых преобразовательных устройств вторичного электропитания, использующих электроэнергию системы электроснабжения для обеспечения вторичным электропитанием самостоятельных приборов или отдельных цепей комплекса радиоэлектронной аппаратуры.

Источники вторичного электропитания выполняют одну или несколько функций, а именно:

- выпрямление;

- стабилизацию;

- усиление;

- регулировку;

- автоматическое переключение на резервный источник питания (аккумулятор) при отключении напряжения сети.

Проблема гарантированного электроснабжения постоянным током бытовых электроприборов, технических средств охраны и сигнализации, связи и других устройств, особенно на удалённых объектах, является актуальной, поэтому темой проекта выбран именно такой источник вторичного питания.

1. Выбор и обоснование структурной схемы

Источник должен выдавать на выходе следующие стабилизированные напряжения:

- +12В при токе нагрузки 1Адля питания датчиков;

- +12В при токе нагрузки 0,1Адля питания индикаторов приборов;

- +5В при токе нагрузки <0,1А для питания микросхем;

- +21В Для питания схемы управления микропроцессором.

Источник питания должен удовлетворять следующим требованиям:

- питаться от сети переменного напряжения 220В, 50Гц;

- иметь гальваническую развязку от сети;

- выдерживать испытательное напряжение 1,5кВ;

- габариты должны быть минимальными.

Рассмотрим несколько вариантов построения структурной схемы источника питания.

Стабилизирующий источник питания с бестрансформаторным входом изображён на рисунке 1.

Рисунок 1

В последнее время в связи с необходимостью резкого уменьшения массы и габаритов источников питания широкое распространение на практике получили устройства с бестрансформаторным входом. Здесь переменное напряжение системы электроснабжения (например, однофазное напряжение 220В, 50Гц) преобразуется бестрансформаторным выпрямителем в сравнительно высокое напряжение постоянного тока (около 300В). На выходе фильтра включается импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока, который, во-первых, понижает напряжение до 100-150В, а во-вторых, осуществляет стабилизацию выходного напряжения источника питания.

К выходу стабилизатора подключён инвертор, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму. Для уменьшения массы и габаритов источника питания данного вида и импульсный стабилизатор, и инвертор работают при повышенных частотах преобразования (10-20кГц),а высокочастотный инверторный трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию цепи нагрузки от питающей сети. С выхода высокочастотного инвертора напряжение через выходные выпрямители с ёмкостными фильтрами поступает в нагрузку.

Источник питания с сетевым трансформатором для гальванической развязки изображён на рисунке 2.

Рисунок 2

Блок трансформатор предназначен для гальванической развязки устройства от сети и понижения питающего напряжения.

Блок выпрямителя предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное и для его фильтрации.

Блок стабилизатора напряжения (СН) совместно с усилителем мощности (УМ) стабилизирует напряжение питания, отдаваемое в нагрузку.

Такая схема кроме простоты не требует установки входного фильтра для снижения помех, наводимых в питающую сеть, и при выборе простой оригинальной конструкции сетевого трансформатора схема технологична, надёжна, и имеет сравнительно низкую стоимость и малые габариты. Таким образом, выбираем простейшую схему, изображённую на рисунке 2.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы

Рассмотрим несколько вариантов построения принципиальной схемы данного устройства.

Схемы выпрямителей бывают: однополупериодные, двухполупериодные со средней точкой и мостовые.

Однополупериодная схема изображена на рисунке 3.

Рисунок 3

Схема состоит из однофазного трансформатора и одного диода. Такая схема применяется при работе на нагрузку с емкостной реакцией.

При однополупериодной схеме выпрямляется только один полупериод переменного напряжения, то есть мощность трансформатора используется не экономично, а для получения нужного значения выпрямленного напряжения требуется увеличить габариты трансформатора, поэтому однополупериодная схема применяется, когда не требуется высокая сглаживаемость выходного напряжения.

Двухполупериодная схема со средней точкой изображена на рисунке 4.

Рисунок 4

Схема состоит из трансформатора и двух диодов, применяется как при нагрузке с индуктивной, так и с емкостной реакцией.

Преимущество - имеет более низкие потери по сравнению с однополупериодной.

Недостатки: большой коэффициент обратного напряжения, невысокий коэффициент использования трансформатора по мощности.

Мостовая схема выпрямления изображена на рисунке 5.

Рисунок 5

Достоинства схемы: обратное напряжение меньше, чем в предыдущих схемах; коэффициент использования трансформатора по мощности достигает 0,9 при нагрузке с индуктивной реакцией и примерно 0,66 при емкостном характере нагрузки; отсутствует вынужденное намагничивание; величина переменной составляющей и её частота такие же, как и у двухфазной схемы.

На основании рассмотренных преимуществ и недостатков различных схем выпрямления выбираем мостовую схему.

Схемы стабилизатора напряжения бывают: компенсационного типа с использованием стабилитрона; с последовательным включением регулирующего транзистора; на микросхеме с регулируемым резистивным делителем и усилителем мощности на транзисторе.

Стабилизатор компенсационного типа с использованием стабилитрона изображён на рисунке 6.

Рисунок 6

Схема проста, но требует применения мощных стабилитронов, которые обеспечивают ток нагрузки, и кроме того, через балансный резистор Rб протекает ток нагрузки и падает напряжение, равное разности входного напряжения и выходного напряжения, то есть напряжения стабилитрона, что также приводит к большим потерям мощности.

Схема с последовательным включением регулирующего транзистора изображена на рисунке 7.

Рисунок 7

В схеме напряжение на выходе равно напряжению стабилитрона VD минус падение напряжения б-э открытого транзистора VT. При больших токах нагрузки в данной схеме требуется мощный транзистор.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе VT, равно произведению остаточного напряжения к-э VT на ток нагрузки. Кроме того, для получения требуемого значения напряжения требуется подбор стабилитрона по напряжению, то есть выходное напряжение не регулируется.

Схема стабилизатора постоянного напряжения на микросхеме изображена на рисунке 8.

Рисунок 8

Это схема стабилизатора постоянного напряжения на микросхеме, представляющей собой линейный стабилизатор напряжения. Такие микросхемы типа КР142ЕН изготавливаются на фиксированное значение напряжения, например КР142ЕН5 на выходное напряжение 5В, КР142ЕН6 на выходное напряжение 6В.

Есть микросхемы - регулируемые стабилизаторы, например КР142ЕН3, КР142ЕН8, которые после подключения на выходе резистивного делителя напряжения с переменным сопротивлением позволяют выставлять любые значения выходного напряжения, при этом для обеспечения стабильного режима микросхемы необходимо обеспечивать минимальное падения напряжения на микросхеме порядка 3В.

Основным недостатком этих схем является малая допустимая мощность рассеяния, поэтому при значительных токах нагрузки требуется установка микросхемы на мощный радиатор или использование усилителя мощности на транзисторе.

Таким образом, схема стабилизатора постоянного напряжения на микросхеме с регулируемым резистивным делителем и усилителем мощности на транзисторе является самой простой и эффективной, поэтому её и выбираем.

В соответствии с требованиями к источнику питания необходимо добавить схему защиты по току. Схема защиты по току может быть построена согласно рисунку 9.

питание напряжение выпрямитель электрический

Рисунок 9

При номинальном токе нагрузки напряжение на базе VT3 равно сумме падений напряжений на базе VT2 ?б-э?, на резисторе R1 ?датчик тока - открывающий потенциал? и на делителе R2-R3 ?закрывающий потенциал?. В случае перегрузки по току увеличивается падение напряжения на R1, транзистор VT3 открывается, шунтируя переход эмиттер-база составного транзистора VT1,VT2 и тем самым, уменьшая его выходное напряжение.

Уменьшение выходного напряжения приводит, в свою очередь, к уменьшению отрицательного потенциала, поступающего на базу через резистор R3, что позволяет удерживать VT3 в открытом состоянии.

Недостаток этой схемы в том, что в режиме короткого замыкания на регулирующем транзисторе VT2 выделяется большая мощность.

Схема защиты с отключением напряжения изображена на рисунке 10.

Рисунок 10

При нормальном, рабочем токе транзистор VT3 закрыт. При токе короткого замыкания падение напряжения на датчике тока ?резистор Rд ? отпирает VT3. Через открытый транзистор VT3 замыкается цепь питания обмотки реле SA, нормально замкнутые контакты, которого размыкаются и отключают напряжение питания.

Недостатком схемы является значительная сложность, то есть наличие большого количества радиоэлементов, в том числе дорогостоящего реле.

Схема защиты может быть выполнена согласно рисунку 11.



Рисунок 11

При рабочем токе нагрузки транзистор VT закрыт и напряжение нагрузки равно выходному напряжению микросхемы КР142ЕН. При перегрузке по току падение напряжения на Rд открывает транзистор VT, открытый переход которого шунтирует выходное напряжение микросхемы.

Данная схема проста, поэтому мы выбираем её.

3. Описание выбранной принципиальной электрической схемы

Переменное напряжение ~U=220В, 50Гц подаётся на первичную обмотку сетевого трансформатора. Пониженное на вторичных обмотках напряжение подаётся на два мостовых выпрямителя, один выполнен на VD1,VD2,VD5,VD6 ?ток нагрузки равен 1А?; второй - на VD3,VD4,VD7,VD8 ?ток нагрузки равен 0,1А?.

Выпрямленное напряжение с моста VD1-VD6 фильтруется на C1,C3 и подаётся на вход стабилизатора напряжения на микросхеме DA1 ?КР142ЕН8? и одновременно на коллектор VT2, исполняющего роль усилителя мощности. Выходное напряжение стабилизатора определяется делителем на резисторах R2,R3. Меняя это сопротивление, меняем выходное напряжение микросхемы.

Выходное напряжение, выставленное с помощью резистора R3, равно 13В. Оно подаётся на базу усилителя мощности. С эмиттера этого усилителя мощности снимается выходное напряжение, равное 12В, которое через предохранитель FU3 додаётся в нагрузку, то есть для питания датчиков.

Выпрямленное напряжение с моста VD3-VD8, отфильтрованное конденсаторами C2, C4, подаётся на вход микросхемы DA2 ?стабилизированное напряжение равно 12В?. Выходное напряжение этого стабилизатора с вывода 2 через VD9,R12 подаётся на источник опорного напряжения, построенный на стабилитроне VD10 и резисторе R6. Напряжение стабилитрона VD10 используется для питания микросхемы DD1, представляющей собой четыре логических элемента ИЛИ-НЕ.

Напряжение со стабилизатора DA2 через VD9,R12 подаётся на обмотку реле K1 через VT3,VT4. Опорное напряжение, равное 5В, делится делителем R10-R11, таким образом, что на входы 8, 9 элемента DD1.3 подаётся низкий уровень ?логический 0?, в этом случае на выходе 10 элемента присутствует высокий уровень напряжения, который обеспечивает ток в базу VT3. VT3 открывается, открывая своим током коллектор транзистора VT4. Через открытый переход VT4 замыкается цепь питания обмотки реле К1. Контакты замыкаются и замыкают собой цепи индикаторов.

Цепь индикации " +12В": вывод 2 DA2; VD9; замкнутые контакты 5,6 реле К1; контакт 2 разъёма X4?"Инд"?;?+? индикатора; ?-? индикатора; контакт 5 X4; R17; открытый транзистор VT5; корпус. Свечение этого индикатора определяется состоянием защиты от снижения напряжения. В случае, когда напряжение превышает 12В, на выходе 4 DD1.4 присутствует высокий уровень напряжения, который через R16 открывает транзистор VT5, при этом свечение индикатора непрерывно. Когда напряжение равно 12В, то начинает работать задающий генератор на микросхемах DD1.2, DD1.4. Частота генератора определяется параметрами R13,C7. Напряжение заданной частоты с выхода 4 DD1.4 подаётся на базу VT5, который работает с этой же частотой, соответственно, замыкая и размыкая цепь индикации " +12В", то есть индикатор работает в мигающем режиме.

Когда уровень напряжения снижается до 11,5В, на выходе 4 DD1.4 снимается низкий уровень напряжения, VT5 закрывается, индикатор " +12В" гаснет.

При отсутствии Uсети, напряжение с аккумулятора ?контакт 7? подаётся через разомкнутые контакты 4,5 К1,2 на контакт 1 X4, проходит с ?+? индикатора на контакт 6 X4 через R17, открытый переход VT5 на корпус, при этом горит индикатор "Разряд", означая, что нагрузка питается от аккумулятора.

При подаче напряжения сети горит индикатор "Сеть" по цепи: ?-? VD3, VD7, контакт 3 X4; ?+? индикатора "Сеть"; ?-? индикатора "Сеть"; контакт 4 X4; R18; R1 - на корпус. При отсутствии выпрямленного напряжения с выпрямителя VD3-VD8, индикатор "Сеть" гаснет.

Резистор R1ограничивает ток разряда ёмкости. Когда ток разряда ёмкости в пределах допуска VT1 закрыт, с выхода микросхемы DA2 снимается номинальное напряжение 12В. Когда ток разряда превышает допустимое значение, падение напряжения на R1 открывает VT1 и выходное напряжение микросхемы понижается.

Напряжение питания микросхемы +5В, получается использованием КР142ЕН5. На вход подаётся +12В, а с выхода снимается стабилизированное напряжение, равное +5В.

Микросхема DA4 ?МС33063АП1? представляет собой преобразователь постоянного напряжения +12В в стабилизированное напряжение 21В.

4. Электрический расчёт сетевого трансформатора

Электрическая схема сетевого трансформатора изображена на рисунке 13.

Рисунок 13

Исходные данные:

- напряжение обмотки 1-2, U1-2=220В , 50Гц;

- напряжение во вторичных обмотках, U3-4=U5-6=15В;

- ток нагрузки обмотки 3-4, I3-4=1А;

- ток нагрузки обмотки 5-6, I5-6=0,2А.

Габаритная мощность трансформатора, Pгаб, Вт, определяется по формуле

Pгаб = U3-4*I3-4 + U5-6*I5-6, (1)

Pгаб = 15*1 + 15*0,2 = 15(Вт).

Ток первичной обмотки, I1-2, А, определяется, исходя из габаритной мощности, по формуле

I1-2 = , (2)

где ? - коэффициент полезного действия, принимаем ?~0,8.

I1-2 = 18/0,8*220 = 0,1(А).

Исходя из значений токов, протекающих по обмоткам, определяем диаметры проводов, d, мм, по формуле

d = 1,13 v, (3)

где ? - допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от мощности трансформатора.

d1-2 = 1,13 v= 0,2(мм);

d3-4 = 1,13 v= 0,79(мм);

d5-6 = 1,13 v= 0,37(мм).

По таблице выпускаемых промышленностью проводов выбираем провод ПЭТВ (провод в эмалевой изоляции, теплостойкий): d1-2=0,25(мм), d1-2изоляц = 0,3 (мм); d3-4 = 0,8 (мм), d3-4изоляц = 0,89 (мм); d5-6 = 0,3 (мм), d5-6изоляц= 0,37(мм).

Исходя из габаритной мощности по рекомендациям для частоты 50Гц выбираем магнитопровод (типоразмер). Рекомендуемое сечение магнитопровода 2 см². С точки зрения технологичности и экономичности трансформатора выбираем стержневую конструкцию, представленную на рисунке 14.

Рисунок 14

Магнитопровод ленточный, витой из электротехнической стали марки Э3423(24,25) толщиной 0,08 мм.

Намотка производится на каркасы внавал, то есть без изоляции между слоями намотки, две половинки сердечника при сборке трансформатора склеиваются ферромагнитной пастой.

Выбираем типоразмер ШЛ 20 x 20.

Сердечник имеет вид:

Рисунок 15

Размеры сердечника: b - толщина набора пакета, 10мм; с - ширина окна, 20мм; l - ширина ленты, 20мм; h - высота окна, 24мм.

Исходя из размеров магнитопровода определяем размеры каркаса для намотки обмоток, рисунок 16.

Рисунок 16

Размеры окна (10 x 20) мм; длина каркаса 45 мм; толщина каркаса 1,5мм; ширина "щёчек " 8 мм.

Определим величину ЭДС, (е), В/вит, одного витка по формуле

е = 4,44*f*D*Qж*10-8, (4)

где f - частота сети 50Гц:

В - рабочая индукция, гс;

Qж - сечение выбранного магнитопровода, определяется по формуле

Qж = Кз*b*l, (5)

где Кз - коэффициент заполнения, определяется технологией изготовления;

b и l - размеры сердечника (рисунок 15).

Qж = 0,9*1*2 = 1,8(см²), тогда

е = 4,44*50*16000*1,8*10-8 = 0,063(В/вит).

Число витков в обмотке, W, определяем по формуле

W1 = , (6)

W2 = . (7)

W1-2 = = 3300(вит); W2 = = 258(вит)~260(вит).

Проводим конструктивный расчёт размещения обмоток трансформатора в окне магнитопровода, для чего определим число витков в одном слое обмотки, n, по формуле

n = , (8)

где Kукл - коэффициент укладки, зависящий от диаметра провода;

l - длина каркаса без учёта толщины;

d - диаметр провода в изоляции.

n1-2 = = 133(вит/сл); n3-4 = = 42(вит/сл);

n5-6 = = 108(вит/сл).

Определяем число слоёв намотки каждой обмотки, m, по формуле

m = , (9)

m1-2 = = 25(слоёв); m3-4 = = 7(слоёв); m5-6 = = 3(слоя).

Определяем толщину намотки каждой обмотки, k, мм, по формуле

k = d*m + bиз, (10)

где bиз - толщина изоляции сверху обмотки. В качестве изоляции выбираем кабельную бумагу марки К120 в два слоя.

k1-2 = 0,3*25 + 0,12*2 = 7,5 + 0,24 = 7,74(мм);

k3-4 = 0,9*7 + 0,12*1 = 6,3 + 0,12 = 6,42(мм);

k5-6 = 0,35*3 + 0,12*2 = 1,05 + 0,24 = 1,3(мм).

Проверяем размещение обмоток на каркасах.

Необходимое условие, чтобы толщина намотки была не более ширины "щёчек" каркаса:

k1-2=7,74(мм)<8(мм), k3-6=6,42+1,3=7,72(мм)<8(мм), условие выполнено.

Рассчитываем длину провода обмотки, L, м, по формуле

L = Pср*W, (11)

где Pср - средняя длина витка, мм, которая определяется по формуле

Pср = (12)

где Pмин = 2(b+l) = 2(10+20) = 60(мм);

Pмакс =2[(b+2k)+(l+2k)]=2(24+34)=116(мм), отсюда Pср = = 88(мм).

Тогда L1-2=0,088м*3300вит=291м, L3-4=5-6=0,088м*260=23м.

Рассчитываем сопротивления обмоток, R, Ом, по формуле

R = ?*L, (13)

где ? - сопротивление одного метра провода, Ом/м.

R1-2 =0,351Ом/м*291м=101,85~102Ом; R3-4 =0,027Ом/м*23=0,62Ом;

R5-6 =0,222Ом/м*23=5,1Ом

Рассчитываем потери в меди обмоток, Pм, Вт по формуле

Pм = I2*R, (14)

Pм1-2=0,12*102=1Вт; Pм3-4=12*0,62=0,62Вт; Pм5-6=0,22*5,1=0,204Вт.

Уточняем ток первичной обмотки в режиме нагрузки по формуле

Iа1-2 = (15)

где Pж - потери в сердечнике, определяются по формуле

Pж = Pуд*G, (16)

G - вес сердечника, 360г.

Pж = 2*0,36 = 0,72Вт.

Iа - активная составляющая тока, Iр - реактивная составляющая определяется по формуле

Iр = (17)

где H - напряжённость поля; выбирается по графику зависимости B=f(H), изображённом на рисунке 17.

Рисунок 17

l - длина магнитной силовой линии. Для сердечника ШЛ 20 x 20 lср=17,6см.

Iр = = 0,005А (величиной можно пренебречь), тогда

I1-2 = Iа1-2 = = 0,09~0,1А.

Реальный КПД трансформатора, ?, %, определяется по формуле

? = (18)

? = = 0,9~90%.

5. Выбор и обоснование конструкции

По типу материала корпус может быть металлическим и пластмассовым. Металлический корпус может быть литым и фрезерованным. Учитывая, что металлический корпус очень дорогой, а также требует дополнительных мер с точки зрения техники безопасности (например, клемма защитного заземления), выбираем пластмассовый корпус. Материал корпуса - полистирол УПС 0801П08.

По способу изготовления корпус может быть сборным или разборным. Выбираем разборную конструкцию корпуса, как наиболее дешевую и технологичную, то есть выбранный корпус состоит из собственного корпуса и крышки, которая крепится винтами и закрывается на замок.

По способу размещения в эксплуатации корпус может быть на ножках или кронштейнах, может быть подвесным. Выбираем способ крепления - подвесной, для чего на задней стенке корпуса предусмотрены крепежные отверстия.

По способу охлаждения корпуса могут быть оребренными, с вентиляционными отверстиями на боковых стенках, в основании или на крышке, или с установленным внутри вентилятором. Выбираем корпус с отверстиями для вентиляции, расположенными в верхней и нижней стенках корпуса и на крышке.

Лицевая панель корпуса может быть съёмной или являться частью корпуса. Выбираем корпус, в котором лицевой панелью является крышка корпуса. На лицевой панели расположен светопровод для индикаторов:

- зеленого цвета, указывающий на наличие напряжения в сети с гравировкой СЕТЬ;

- желтого цвета, индицирующий величину выходного напряжения 12В при его наличии;

- красного цвета "АКК", индицирующего питание нагрузки от аккумулятора.

Кроме того, на лицевой панели имеется гравировка класса безопасности пульта (m), товарного знака предприятия - изготовителя, степень защиты оболочки (IP20), наименование блока и его условное обозначение.

Соединения корпуса с питающей сетью могут осуществляться следующими способами:

- шнур питания с глухой заделкой в корпусе;

- разъёмный шнур питания;

- неразъёмное подсоединение питающих цепей.

Выбираем для соединения с сетью и нагрузкой соединение проводами, подводимыми к клеммам, установленным внутри корпуса, через отверстия в стенках корпуса.

Маркировка заводского номера блока и даты изготовления может производиться либо на шильдиге, крепящемся к корпусу, либо маркировкой или гравировкой на самом корпусе. Выбираем гравировку на задней стенке корпуса.

Форма корпуса может быть самой различной конфигурации, но чем сложнее конфигурация корпуса, тем дороже пресс-форма для его изготовления, поэтому выбираем корпус в форме параллелепипеда размерами 340x220x90 мм.

Соединение светодиодов на крышке корпуса с индицируемыми цепями на плате производится с помощью разъёмов типа ОНП и плоского кабеля типа FRC1-20-31.

Элементы схемы могут соединяться либо объёмным, либо печатным монтажом. Используем два вида монтажа, при этом часть элементов размещается на печатной плате из фольгированного текстолита марки СФ1-50-1,5, а другая часть, а именно трансформатор, микросхема КР142ЕН8Б и транзистор КТ817А, устанавливаемые на радиатор имеют объёмный монтаж, выполняемый проводом МГШВ.

Размеры и конфигурация радиаторов выбраны, исходя из рассеиваемой мощности, для обеспечения допустимого теплового режима ЭРЭ, радиаторы установлены с обратной стороны печатной платы.

Печатная плата источника питания установлена в корпусе охранного устройства, габаритные размеры которого 340x220x90мм, не более, а преобразователь (+12В;+21В) размещен конструктивно на отдельной печатной плате самого охранного устройства.

6. Расчёт надёжности

Исходные данные

Условия эксплуатации - лабораторные (К1=1, К2=1).

Температура окружающей среды (25±10)?С (К3=1).

Относительная влажность воздуха (45-80)%.

Атмосферное давление (630-800)мм.рт.ст.

Высота над уровнем моря (0-1)км (К4=1).

Интенсивность отказов элементов схемы [10] ?0j =10+6.

Конденсаторы электролитические 0,35

Микросхемы 0,3

Вставки плавкие 1

Реле 0,25

Резисторы постоянные 0,16

Резисторы переменные 0,2

Диоды 0,2

Стабилитроны 0,5

Транзисторы 0,5

Разъёмы 0,6 на 1 контакт

Пайки 0,1

Коэффициенты нагрузки элемента выбираются в соответствии с рекомендациями.

Результаты расчета

Результаты промежуточных расчётов интенсивностей отказов различных групп элементов приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Наименование	Тип	Обозначение	Количество	Коэффициент нагрузки	Поправочный коэффициент	Интенсивность отказов элементов*10+6
						В номинальном режиме	С учётом эксплуатации	В рабочем режиме	Группа эл. в раб. режиме
			Nj	Кн	?i	?0j	?j	?jp	?jp*Nj
Конденсаторы	К50 К10	C1-C4 C5-C7	4 3	0,6	0,48	0,35	0,35	0,168	1,176
Микросхемы	КР142ЕН8Б К561ЛЕ5	DA1,DA2 DD1	2 1	1	1	0,3	0,3	0,3	0,9
Вставки плавки	ВПТ6-2 ВПТ6-7	FU1 FU2	1 1	0,6	1	1	1	1	2
Реле	РЭС-48А	К1	1	1	1	0,25	0,25	0,25	0,25
Резисторы постоянные	С2-33Н	R1,R2,R4,R6,R8,R9,R11,R12, R13-R18	14	0,6	0,5	0,16	0,16	0,08	1,12
Резисторы переменные	СП3-38	R3,R5,R7,R10	4	0,6	0,5	0,2	0,2	0,1	0,4
Диоды	КД212А КД522Б	VD1-VD9 VD13 VD12 VD14	10 2	0,7	0,85	0,2	0,2	0,17	2,04
Стабилитроны	КС133А КС156А	VD10 VD11	1 1	0,7	0,62	0,5	0,5	0,31	0,62
Транзисторы	КТ3102БМ КТ817А КТ3117А	VT1,VT3,VT5 VT2 VT4	3 1 1	0,6	0,43	0,5	0,5	0,215	1,075
Разъёмы	ТВ -01А ОНП-КГ	X1 X2-X4	2 14	1	1	0,06	0,06	0,06	0,96
Пайки			154	1	1	0,01	0,01	0,01	1,54

По справочнику [10] выбираем средние интенсивности отказов элементов каждого типа ?оj, заносим в таблицу 1.

Интенсивность отказов с учётом эксплуатаций ?j, определяется по формуле

?j = ?оj*K1*K2*K3*K4, (19)

По коэффициентам нагрузки Kн, и температуре определяем поправочный коэффициент, ?i, для каждой группы элементов.

Реальная интенсивность отказов ?jp, определяется по формуле

?jp = ?оj*?i, (20)

Интенсивность отказов всего устройства ?, определяется по формуле

? = 11,361*10+6.

Среднее время наработки до первого отказа Тср, определяется по формуле

Тср = 1/?, (22)

Тср = 1/11,361*10+6 = 88020.

Вероятность безотказной работы Р(t), определяется по формуле

Р(t) = е -?*t, (23)

Вероятность отказа Q(t), определяется п формуле

Q(t) = 1- P(t), (24)

Результаты расчётов P(t), Q(t) приведены в таблице 2 и отражены на рисунке 18.

Таблица 6.2

t	1	10	100	1000	10000	88020
P(t)	0,99999	0,9999	0,999	0,99	0,9	0,0000049
Q(t)	0,00001	0,0001	03001	0,01	0,1	0,9999951

Рисунок 18

7. Выбор и обоснование технологического процесса

Выбор технологического процесса зависит от типа производства и соответственно программы выпуска изделий.

Современное производство подразделяется на 3 типа:

- единичное производство;

- массовое производство;

- серийное производство.

Так как, в соответствии с техническим заданием на дипломное проектирование - программа выпуска 100 штук в месяц, выбираем серийный тип производства. Этот тип производства характеризуется ограниченной номенклатурой и сравнительно большим объёмом выпуска изделий. Объём выпуска изделий колеблется от десятков до тысяч регулярно повторяющихся изделий. Так как изделий относится к разряду малогабаритной электронной аппаратуры, то и процесс сборки и монтажа должен характеризоваться многообразием технологических операций, оборудования и так далее.

Технологический процесс данного устройства состоит из следующих операций:

- комплектовочная;

- заготовительная;

- маркировочная;

- монтажная;

- контрольная;

- сборочная;

- настройка.

Из технологического процесса можно выделить три основных этапа:

- заготовительные операции;

- сборочные операции;

- монтажные операции.

Заготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования элементов печатной платы.

Они включают в себя:

- очитку поверхности платы от окислов, жира, смазки, плёнок и других минеральных загрязнений. В зависимости от типа производства очитку поверхностей и отверстий производят механическим, химическим, электрохимическим и плазменным методами;

- активизацию поверхностей проводящего рисунка;

- специальную работу диэлектрика;

- контрольную операцию.

Исходя из выбранного типа производства, выбираем способ подготовки элементов полуавтоматический. В разработанной конструкции варианты установки элементов выбраны согласно ОСТ 4.010.030-81.

Также необходимо произвести формовку и лужение выводов.

Формовку выводов можно производить вручную или с применением автоматических устройств. Исходя из программы выпуска, выбираем формовку выводов с применением полуавтоматического устройства.

Лужение выводов элементов осуществляется методом горячего лужения припоем ПОС-61.

Сборочные операции включают в себя установку подготовительных элементов на печатную плату, механическое закрепление отдельных элементов. Оптимальная последовательность операции сборки зависит от их содержания, используемого оборудования и экономической эффективности.

Монтажные операции включают в себя закрепление элементов и монтаж проводов на печатной плате методами пайки или сварки. В рассматриваемой конструкции используется пайка выводов элементов. Достоинством паяных соединений является:

- относительно низкая температура, при которой производится пайка;

- дешевизна оснастки;

- простота технологического процесса;

- пайкой можно соединять различные металлы при различных соотношениях толщины.

Пайка бывает:

- ручная;

- групповая;

- избирательная.

Выбираем ручную пайку. Наиболее оптимальным является применение припоя ПОС-61, его температура плавления равна 180?, что позволяет паять очень чувствительные к температурному режиму полупроводниковые элементы.

В процессе пайки необходимо использовать флюс. Наиболее подходящими являются бескислотные флюсы на основе канифоли (ФКЭ, ФКСп) или активированные флюсы с дополнительными добавками (ФК-ТС, ФКС).

Выбираем флюс ФКСп на основе сосновой канифоли, так как он является наиболее подходящим, надёжным и эффективным и не требует особых материальных затрат.

После монтажа надо проверить качество паяных соединений внешним осмотром, а при необходимости воспользоваться лупой, удалить остатки флюса, обрезать излишки проводов, которые выступают за пределы, установленные сборочным чертежом.

Размещено на Allbest.ru

...