Размещено на http://allbest.ru

Экономичный усилитель мощности

Введение

усилитель радиоэлектронный печатный плата

Работа над курсовым проектом является завершающим этапом изучения учебной дисциплины «Конструирование радиоэлектронных средств». Цель курсового проектирования - углубление, расширение, закрепление и систематизация теоретических знаний, приобретение умения проектировать и рассчтать устройство. В нашем случае это экономичный усилитель мощности. Усилители мощности - это устройства, позволяющие повышать мощность полученных с звуковоспроизводящей аппаратуры сигналов, без искажений. Физический смысл работы усилителей мощности, заключается в увеличении интенсивности электрических колебаний, без изменения их формы, то есть с сохранением того же частотного спектра и фазовых отношений.

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

1. Аналоговые, класс А - работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов.

2. Аналоговые, класс В - достоинством можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%.

3. Аналоговые, класс АВ - это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений.

4. Аналоговые, класс H - данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады.

5. Импульсные и цифровые, класс D - принцип работы очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

1. Литературный обзор

Сравним проектируемое устройство с несколькими аналогами.

Параметры аналога усилителя мощности CAD805 Cary класса А:

- Номинальная мощность, Вт:…………….50;

- Коэфициент гармонических искажений, %:………..?0,03;

- Диапазон воспроизводимых частот, Гц:……… 20-20000;

- Отношение сигнал шум, Дб:……………… …..>80;

- Масса, 36

Ламповые моноблоки CAD 805 Anniversary Edition обеспечивают 50 Вт выходной мощности в чистом классе А. Однотактная схема на прямонакальных триодах необычна тем, что пользователь может легко переключать используемые выходные лампы -- в усилителе установлены и триоды 845 и триоды 211. Во входном каскаде применены две лампы 6SN7, драйвер сделан на 300B. Имеется упомянутый переключатель выходных ламп.

Параметры аналога усилителя мощности P-3500S Yamaha класса В:

- Номинальная мощность, Вт:……… ….........450;

- Коэфициент гармонических искажений, %:………...?0,01;

- Диапазон воспроизводимых частот, Гц:… …..20-20000;

- Отношение сигнал шум, Дб:……… ……..>102;

- Масса, кг:………………… ………….15.

Серия усилителей мощности отличается максимальной чувствительностью и предоставляет 3 выходных режима - Stereo Mode (направляет отдельные входные сигналы к независимым каналам), Parallel Mode (направляет сигнал с одного входа к двум независимым каналам) и Bridged Mono Mode, обеспечивающий максимальную выходную мощность. Переключаемые фильтры на каждом входном канале характеризуются частотным диапазоном 25Гц-150Гц, при этом фильтры “low pass”позволяют использовать устройства в качестве сабвуфера, в то время как фильтры “high pass” применяются при необходимости аттенюации низких частот.

Параметры усилителя мощности SX-25 Perreaux класса А:

- Номинальная мощность, Вт:………......25;

- Коэфициент гармонических искажений, %:………… …..?0,02;

- Диапазон воспроизводимых частот, Гц:……… …..20-20000;

- Отношение сигнал шум, Дб:……… …………..>100;

- Масса, кг:………… ……………………..…….2,4;

Устройство способно работать с тремя источниками аналогового сигнала, имеет два регулируемых выхода и один нерегулируемый. Нелинейные искажения оказались наименьшими в подборке, равно как и неравномерность АЧХ -- на пределе измерений (96 кГц) размах выходного сигнала снижается лишь на 1,3 дБ, поэтому потенциал SACD-записей будет раскрыт. Претензии можно предъявить усилителю мощности -- коэффициент демпфирования оказался самым низким. Недостатком нашего устройства является малая номинальная мощность. Достоинством же является то, что при намного меньшей массе такие параметры, как диапазон частот, коэфициент искажений и отношение сигнал шум остаются на том же уровне.

2. Анализ схемы электрической принципиальной

Основное усиление по напряжению обеспечивает каскад на быстродействующем ОУ. Предоконечный каскад собран на транзисторах VT1-VT4.

При разработке усилителя особое внимание было уделено предоконечному каскаду. С целью снижения нелинейных искажений был выбран режим А с относительно большим током покоя (около 20 мА). Температурная стабильность достигнута включением в коллекторные цепи транзисторов VT3, VT4 резисторов сравнительно большого сопротивления R14, R15. Однако из-за отсутствия в предоконечном каскаде 100 %-ной ООС при изменении его температурного режима возможны колебания тока покоя в пределах 15-25 мА, которые вполне допустимы, поскольку не нарушают эксплуатационную надежность усилителя в целом.

Каждое плечо предоконечного каскада охвачено цепью местной ООС глубиной не менее 20 дБ. Напряжение ООС снимается с коллекторных нагрузок транзисторов VT3, VT4 и через делители R9-R13 подается в эмиттерные цепи транзисторов VT1, VT2. Частотная коррекция и устойчивость по цепи ООС обеспечиваются конденсаторами С10, С11.

Снижение коэффициента гармоник достигнуто введением глубокой (не менее 70 дБ) общей ООС, напряжение которой снимается с выхода усилителя и подается на инвертирующий вход ОУ DA1. Конденсатор С5 корректирует АЧХ усилителя по цепи ООС. Жесткая стабилизация постоянного выходного напряжения на уровне не более ±20 мВ достигнута применением в усилителе 100 %-ной ООС по постоянному току. Для снижения этого напряжения до ±1 мВ и менее необходимо сбалансировать ОУ.

Включенная на входе усилителя цепь R1C1 ограничивает его полосу пропускания частотой 160 кГц. Максимально возможная линеаризация АЧХ УМЗЧ в полосе 10-200 Гц достигнута соответствующим выбором емкости конденсаторов С1, С3, С4.

Усилитель может питаться как от стабилизированного, так и от нестабилизированного источника питания, причем работоспособность его сохраняется при снижении питающих напряжений до ±25 В (разумеется, с соответствующим уменьшением выходной мощности). При использовании стабилизированного источника питания следует учитывать возможность появления на выходе стабилизаторов больших (до 10 В) пульсации с частотой усиливаемого УМЗЧ сигнала при мощности, близкой к номинальной.

Усилитель собран на плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Транзисторы VT3, VT4 снабжены теплоотводами. Транзисторы оконечного каскада VT3, VT4 закреплены вне платы на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 400 см2 каждый. В усилителе использованы резисторы SMD. Вместо указанных на схеме можно использовать ОУ К574УД1А, К574УД1В и транзисторы тех же типов, но с индексами Г, Д (VT1, VT2) и В (VT3, VT4).

Усилитель, собранный из исправных деталей, почти не требует налаживания. Как указывалось выше, ток покоя транзисторов VT3, VT4 устанавливают при необходимости подбором резистора R6, а минимальное постоянное напряжение на выходе усилителя - резистора R14 или R15.

Коэффициент гармоник измерялся в полосе 20-20 000 Гц компенсационным методом. Первый выброс выходного напряжения (при отключенном конденсаторе С2) не превышал 3 %, что говорит о хорошей устойчивости усилителя.

3. Выбор и обоснование элементов печатной платы

Конденсаторы К50-35 Выбраны, т.к. обладают большой мощностью, при малых габаритах.

Характеристики:

- Диапазон рабочих температур, °C:………………...….....-40...+85;

- Номинальное напряжение, В: ……………….... 450;

- Тангенс угла потерь:…………………… …..…...0,12…0,25;

- Допустимые отклонения емкости от номинала, %:………...± 20.

Конденсатор К10-17 обеспечивает линейную зависимость емкости от температуры.

Характеристики:

- Допускаемое отклонение емкости, %:.........................-20…80;

- Тангенс угла потерь, не более:…………..………...0,035;

- Сопротивление изоляции, Мом:………………...4000;

- Номинальное напряжение, В ……………………63.

Конденсаторы КМ-6 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах.

Характеристики:

- Допустимое отклонение емкости:………………..±20%;

- Номинальное напряжение, В:…………….……....160;

- Номинальная емкость, мкФ:……… ………....…….....0,47;

- Диапазон рабочих температур, °C:………… ………....-40…+85.

Резисторы SMD 1206

- Диапазон номинальных значений сопротивлений, Ом:..… …1 - 30;

- Допустимое отклонение от наминала, %:..............................0,9;

- Номинальная мощность, Вт:………… ……..............0,150;

- Рабочее напряжение, В:……………… …...…………..150.

Микросхема КР140УД18 ОУ общего применения с хорошо согласованной парой полевых транзисторов на входе. Имеет малые входные токи и низкое напряжение смещения, а также внутреннюю частотную коррекцию и небольшой ток потребления.

Характеристики:

- Напряжение питания:……… ……….…...….... (13,5...16,5) В;

- Входное синфазное напряжение не более:… ……..….. 10,5 В;

- Входное дифференциальное напряжение не более:……… …... 24 В;

- Температура окружающей среды:……………… …….-10...+70 ° C.

Транзистор КТ817Б2 выбран так как транзистор большой мощности высокочастотный структуры NPN. Выполнен в металлическом корпусе со стеклянными изоляторами и жесткими выводами.

Характеристики:

- Напряжение насыщения:…………… ……….…..200В;

- Температура среды:…………… …….……….…-60..+130°C;

- Структура:……………………… ………N-P-N;

- Ёмкость коллекторного перехода, не более, пФ:…………...7.

Транзистор КТ818Б выбран так как транзистор большой мощности высокочастотный структуры PNP. Выполнен в металлическом корпусе со стеклянными изоляторами и жесткими выводами.

Характеристики:

- Структура:……… ……….………...…...P-N-P;

- Макс. напр. при заданном обратном токе ,В:………………...…..200;

- Максимально допустимый ток A:……………….…….…....10;

- Максимальная рассеиваемая мощность ,В:…………...….100.

Транзистор 2SC2331Y транзистор средней мощности. Применяются в выходных каскадах усилителей небольшой мощности и схемах управления низковольтными нагрузками

Характеристики

- Структура:…………………..………..…..……N-P-N;

- Диапазон рабочих температур:…………..….-65..+150°С;

- Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт:…………………….......1;

- Максимально допустимый ток, A:…………………………........2.

Транзистор 2SA1013Y транзистор средней мощности. Применяются в выходных каскадах усилителей небольшой мощности и схемах управления низковольтными нагрузками

Характеристики:

- Структура:……… …………..PNP;

- Диапазон рабочих температур:………….-65..+150°С;

- Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт:……………….....1;

- Максимально допустимый ток, A:……………………… 1.5.

4. Выбор материалов и покрытий печатной платы

Печатная плата - изоляционное основание с нанесенным на его поверхность печатным монтажом. Их применение повышает надежность аппаратуры, обеспечивает повторяемость электрических параметров, создает предпосылки для автоматизации производства (высокая производительность и низкая себестоимость), уменьшает габариты и массу. Наиболее распространены односторонние печатные платы (ОПП) и двухсторонние печатные платы (ДПП) с основаниями из слоистого диэлектрика. Проведем их сравнение.

Учитывая несложность схемы проектируемой аппаратуры, предлагается применить ОПП. При этом будет обеспечиваться необходимая точность изготовления платы и низкая стоимость.

В качестве основания печатной платы используются слоистые диэлектрики на основе бумаги (гетинаксы) и на основе стеклоткани (стеклотекстолиты). Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Стеклотекстолит превосходит гетинакс практически по всем техническим и электрическим характеристикам: допустимая влажность окружающей среды для платы без дополнительной влагозащиты (85% для гетинакса и 93% для стеклотекстолита); стеклотекстолит имеет меньший тангенс угла диэлектрических потерь и меньшую диэлектрическую проницаемость, что уменьшает паразитную емкость; прочность на отрыв контактной площадки (60Н у стеклотекстолита против 50Н у гетинакса) - важный показатель для плат, эксплуатируемых в жестких механических условиях.

Исходя из выше сказанного стеклотекстолит превосходит гетинакс практически по всем показателям, но стоимость его значительно выше.

Предпочтительными значениями номинальных толщин одно - и двусторонних печатных плат являются 0,8; 1,0; 1,5; 2.0 мм.

Для изготовления печатной платы можно применить двухсторонний фольгированный стеклотекстолит СФ1-35 - 2 толщиной 2 мм. Метод изготовления печатной платы - химический.

Используемая печатная плата двухсторонняя. Разводка проводников - автоматизированная. Минимальная толщина печатных проводников и контактных площадок на плате - 0,1 мм и 0,4 мм соответственно. Способ установки электрорадиоэлементов на печатной плате в данном случае горизонтальный при установке резисторов и вертикальный для конденсаторов, транзисторов и микросхем.

Выберем селективную пайку. Она обеспечивает более высокое качество пайки поверхностномонтируемых компонентов, чем групповая пайка компонентов в установке пайки двойной волной припоя, особенно при высокой плотности монтажа на плате. К тому же компоненты не погружаются в волну припоя и не подвергаются дополнительному термическому воздействию. Обеспечивается тем самым высокое качество изделий.

Способ обеспечения электрических соединений - пайка с помощью припоя ПОС-61 ГОСТ 21930-76. Его ближайшей заменой является ПОСВ-33.

Маркировка деталей осуществляется на печатной плате краской ТНПФ ТУ 29-02-359-70, шрифт 3 по НО.010.007.

Пленка лака создает барьер воздействию влаги и загрязнений на диэлектрическое основание, предохраняет тонкие проводники от повреждений, увеличивает механическую жесткость платы. Причем лак должен быть бесцветным для свободного прочтения маркировки нанесенной на плату.

В качестве покрытия достаточно применение лака УР-231. Он обеспечивает хорошую защиту платы и ЭРЭ от воздействия климатических факторов, а также повышает и ее механическую жесткость.

5. Конструкторские расчеты

5.1 Компоновочный расчет печатной платы

Компоновка - это процесс размещения элементов и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров. Различают несколько уровней компоновки: элементы на плате, ячейки в блоке и т. д.

В зависимости от уровня компоновки выбирается вариант компоновочного расчета. При использовании функционально-модульного метода конструирования при компоновке объемных устройств можно использовать номографическую компоновку.

При использовании компоновки более низких уровней (элементы на печатной плате) площадь печатной платы рассчитывается по формуле:

(5.1)

где - площадь вспомогательных участков;

- коэффициент дезинтеграции;

- установочная площадь i-го элемента;

n - количество элементов.

Для определения установочной площади элемент заменяют эквивалентной фигурой (прямоугольником), в который может быть вписан элемент вместе с устройствами крепления и монтажа (рис. 5.1).



Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 5.1 - Установочные размеры элемента

Установочные размеры для элементов, устанавливаемых в отверстия печатных плат, следует выбирать кратными шагу координатной сетки 2,5 мм или 1,25 в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Основной шаг координатной сетки - 2,5 мм.

Установочные размеры элементов в зависимости от размеров корпуса элемента и их площадь приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Элементная база усилителя мощности.

Наименование элемента	Установочная ширина, мм	Установочная длина, мм	Площадь,	Количество	Общая площадь,
Резистор SMD 1206	1.5	2	3	15	45
Конденсатор К50-35	5	5	25	2	50
Конденсатор К10-17	10	10	100	2	200
Конденсатор КМ-6	6	10	60	9	540
Микросхемы КР140УД18	6.6	10.5	69.3	1	69.3
Транзистор КТ817Б2	27.1	40.1	1086.7	1	1086.7
Транзистор КТ818Б	27.1	40.1	1086.7	1	1086.7
Транзистор 2SC2331Y	4.8	14.5	68.9	1	68.9
Транзистор 2SA1013Y	4.8	14.5	68.9	1	68.9
Предохранитель ПЦ-30	5	10	50	1	50
Громкоговори-тель 4ГДШ-3	11	11	121	1	121
Итого				33	3386,5

принимается равным числу в диапазоне 2…3. является площадью, которая отводится под установку разъемов, элементов крепления, ручек, зону контрольных гнезд и др.

мм².

Выбираем ширину печатной платы 62,5 мм, тогда длина получится:

мм.

Так как необходимо при длине учитывать площадь крепёжных отверстий и отступы от края печатной платы, то выбираем длину печатной платы 70,5 мм. Тогда размеры печатной платы усилителя мощности составят 62,5 Ч 70,5 мм.

5.2 Расчет элементов печатного рисунка

Координатную сетку располагаем в соответствии с ГОСТ 2.417-78.

Элементы проводящего рисунка располагаем от края платы, неметаллизированного отверстия, паза, выреза и т.д. на расстоянии не менее толщины платы, с учетом допуска на линейные размеры.

Расчет элементов печатной платы проводится с следующей последовательности:

Определяется минимальный размер переходного отверстия

D_по = R_дт · Н_пп , (5.2)

где R_дт - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине ДПП,

равное 0,33;

Н_пп - толщина изолирующего слоя и двух слоев меди, равная 1,57 мм.

D_по = 0,35 · 1,47 = 0,51 мм.

Из ряда диаметров переходных отверстий по ГОСТ 10317-79 выбираем размер переходного отверстия 0,5 мм.

Минимальный диаметр монтажного отверстия определяется по формуле:

D_мо = D_в + ? + 2Н_м + ?D,(5.3)

где D_в - максимальный диаметр вывода используемых ЭРЭ, равный 0,5 мм;

? - зазор между выводом ЭРЭ и монтажным отверстием, равный 0,1 мм;

Н_м - толщина слоя меди;

?D - погрешность диаметра отверстия, равное 0,1 мм.

D_мо = 0,5 + 0,1 + 2 · 0,035 + 0,1 = 0,77 мм.

По ГОСТ 10317-79 выбираем диаметр монтажного отверстия D_мо = 0,8 мм.

Определяем минимальное значение ширины проводника:

t = t_мд + |?t_но|,(5.4)

где t_мд - минимально допустимая ширина проводника, равная 0,15 мм;

?t_но - нижнее предельное отклонение ширины проводника, равное минус 0,1 мм.

t = 0,15 + |-0,1| = 0,25 мм.

Минимальное значение расстояния между элементами проводящего рисунка:

S = S_мд + ?t_во ,(5.5)

где S_мд - минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка, равное 0,15 мм;

?t_во - предельное значение отклонения ширины проводника, равное 0,1 мм.

S = 0,15 + 0,1 = 0,25 мм.

Минимальный диаметр контактной площадки для металлизированного отверстия определяется по формуле:

D = ,(5.6)

где - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия - 0,05 мм;

- верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки - 0,15 мм;

- значение подтравливания диэлектрика в отверстии равно 0,03 мм для

МПП, для ОПП, ДПП и ГПК - нулю;

- значение позиционного допуска расположения центра отверстия относительно узла координатной сетки - 0,15 мм;

- значение позиционного допуска расположения контактной площадки относительно номинального положения - 0,25 мм;

- нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки - 0,1 мм;

b - гарантийный поясок - 0,1 (т.к. класс точности 3).

D = мм.

Выбираем диаметр контактной площадки согласно ОСТ 4.010.019-81: D = 1,5 мм.

Минимальное расстояние между центрами отверстий для прохождения одного проводника определяется по формуле:

L = D + t + 2S_мин + b₁,(5.7)

где D - минимальный диаметр контактной площадки;

t - минимальная ширина проводника;

S_мин - минимально допустимое расстояние между проводниками, равное 0,25 мм;

b₁ - диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения, равное 0,05 мм.

L = 1,5 + 0,25 + 2 · 0,25 + 0,05 = 2,3 мм.

Так как полученное расстояние L = 2,3 < 2,5 (расстояние между ножками микросхемы), то выбранный III-й класс точности печатного монтажа соответствует требованиям.

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочные характеристики корпусов элементов и ИС, требования по организации связей, вытекающих из схемы функционального узла, а также перспективности выбранной технологической базы.

5.3 Оценка устойчивости конструкции к механическим воздействиям

Наиболее распространенными видами механических воздействий, возникающих в конструкциях при внешних и внутренних воздействиях, являются вибрация, удары, и линейные ускорения.

Вибрацией называют достаточно длительный (более одного периода) процесс распространения по конструкции упругих волн.

Ударом называется кратковременный переходный процесс движения точек конструкции вследствие внезапного приложения или устранения внешних воздействий. После удара может возникнуть процесс затухающей вибрации.

Существуют три основных способа виброзащиты аппаратуры: увеличение жесткости конструкции, демпфирование (принудительное подавление колебаний либо уменьшение их амплитуды до допустимых пределов с помощью устройств или приспособлений, поглащающих энергию колебаний - демпферов.) и использование виброизоляторов, но все равно нужно учитывать то, что универсальных средств защиты аппаратуры от механических воздействий нет. Таким образом, полностью защитить аппаратуру от ударов и вибраций невозможно. Конструкция должна сама по себе выдерживать некоторые механические воздействия, т.е. должна обладать вибропрочностью и виброустойчивостью. Для того чтобы конструкция была механически прочной, частота собственных колебаний конструкции (f₀) должно быть больше, чем частота воздействующих колебаний (f), которая определяется техническим заданием в зависимости от условий эксплуатации.

Собственная частота зависит от способа крепления конструкции, массы радиоэлементов и массы основания печатной платы.

Таблица 5.3 - Масса радиоэлементов разрабатываемого устройства

Наименование элементов	Тип	Масса единицы, г	Кол.	Масса, г
Конденсатор	К50-35	0,8	2	1,6
	К10-17	0,3	2	0,6
	КМ-6	0,2	9	1,8
Микросхема	КР140УД18	1	1	1
Резистор	SMD 1206	0,25	1	3,75
Транзистор	КТ817Б2	33	1	33
	КТ818Б	33	1	33
	2SC2331Y	0.4	1	0,4
	2SA1013Y	0.4	1	0,4
Предохранитель	ПЦ-30	0.5	1	0.5
Громкоговоритель	4ГДШ-3	2	1	2
Всего:	78

Разрабатываемая печатная плата имеет размеры 90Ч80 и массу основания платы 110г. Таким образом, собственная частота конструкции вычисляется по формуле:

f₀ = 1,68 · 10² · ц(л) · · ,(5.8)

где f₀ - собственная частота колебания конструкции;

ц(л) - функция зависящая от соотношения сторон и способа закрепления - 15,9;

h - толщина основания - 1,5 мм;

a - длина меньшей стороны;

Q_э - масса ЭРЭ - 78 г;

Q_п - масса основания печатной платы.

f₀ = 1,68 · 10² · 15,9 · · = 51 Гц.

Так как речь идет об измерительной аппаратуре, то требование механической прочности удовлетворено, так как f₀ > f_зад , 51 > 50.

5.4 Расчет теплового режима

Важнейшим фактором, определяющим эксплуатационную надежность радиоэлектронной аппаратуры, ЭВМ является тепловой режим. Для обеспечения нормального теплового режима определяют среднюю плотность теплового потока от корпуса блока:

g = P_t /S_к (5.9)

где P_t = Р_потр + Р_вх + Р_вых - суммарная мощность тепловыделения в блоке;

S_к - условная площадь поверхности теплообмена корпуса блока;

Р_потр = 40026+24=10424 мВт

P_t = 9624+326+400=11150 мВт

S_k ⁼ 2 [L₁ L₂ + (L₁ +L₂ ) L₃ K₃ ],

где L₁ , L₂ , L₃ - примерные габаритные размеры корпуса блока, равные L₁ = 260 мм, L₂ = 200 мм, L₃ = 100 мм;

К₃ - коэффициент заполнения объема блока, равный 0,4.

S_K =2 [26010 ^-320010^-3 + (280+200) 10^-3 100 10^-3 О,4] = 0,1408 cм²

g = 960810^-3 / 0,1408 = 6,96 Вт/м²

Определим допустимый перегрев наименее теплостойкого элемента

t = t_{i доп min} - t₀ (5.10)

где t_{i доп min} - максимальная допустимая температура нагрева;

t₀ - максимальная температура окружающей среды.

Следовательно:

t = t_{i доп min} - t₀ = 358 - 323 = 35 к

По диаграмме представленной на рисунке 5.2 выбираем систему охлаждения:

Рисунок 5.2 - Диаграмма систем охлаждений

На рисунке приведены графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения:

- естественное воздушное (области 1 и 2);

- принудительное воздушное (области 2, 3 и 4);

- естественное жидкостное (область 4);

- принудительное жидкостное (области 5, 6 и 7);

- естественное испарительное (области 6, 7 и 8);

- -принудительное испарительное (области 8 и 9)

Для данного блока достаточно естественного воздушного охлаждения.

6. Расчет надежности

В связи с возрастающей сложностью радиоэлектронного оборудования перед конструкторами встала задача создания более надежной и долговечной радиоаппаратуры.

Если при конструировании сложной аппаратуры не предусмотрены меры по увеличению надежности, то отказы в работе будут происходить часто и время, затрачиваемое на ремонт аппарата, станет большим. В результате может оказаться, что основную часть эксплуатационного времени аппарат будет находиться в ремонте.

Отказы аппарата могут быть постепенными и внезапными.

Постепенные отказы вызываются постепенным изменением параметров элементов схемы и конструкции. Например, при длительной эксплуатации радиоаппарата конденсаторы постепенно меняют емкость, что вызывает ухудшение одного из параметров, при котором аппарат перестает выполнять свои функции.

Внезапные отказы проявляются в виде скачкообразного изменения параметров аппарата. Причиной внезапного отказа может быть перегорание токопроводящего слоя резистора, пробой конденсатора и т.д.

Все изделия подразделяют на: восстанавливаемые и не восстанавливаемые.

Восстанавливаемые - это такие изделия, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению. У невосстанавливаемых изделий отказы не устраняются. К числу невосстанавливаемых относят почти все радиокомпоненты (резисторы, конденсаторы, микросхемы и др.).

Надежность - это свойство изделия выполнять все заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах.

Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то, проектируя аппаратуру, ее следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделия.

Различают две основные разновидности расчета надежности:

- приближенный, ориентировочный;

- полный, окончательный.

Приближенный расчет производится на ранних стадиях проектирования. Целью расчета является ориентировочная оценка ожидаемого уровня надежности изделия.

Полный расчет производится на более поздних стадиях проектирования. Для выполнения этого расчета надо располагать данными о реальных режимах работы элементов устройств.

При разработке данного устройства производился ориентировочный расчет. Исходными данными при ориентировочном расчете надежности являются: электрическая схема разрабатываемого устройства (принципиальная), заданное время работы t_з (равное в нашем случае 10000 часов), условия эксплуатации или вид РЭУ (помещения с регулируемой температурой и влажностью).

Ориентировочный расчет выполняют для периода нормальной эксплуатации РЭУ, т.е. для периода, когда общая интенсивность отказа устройства примерно постоянно во времени. В этом случае для определения интенсивности отказов РЭУ пользуются значениями интенсивностей отказов элементов. Общая интенсивность отказов РЭУ определяется путем простого суммирования последних.

При ориентировочном расчете пользуются следующими допущениями:

- отказы элементов случайны и независимы;

- принимаются во внимание только внезапные отказы, т.е., вероятность с точки зрения отсутствия отказов равна единице;

- учитываются не только элементы электрической схемы, а также монтажные соединения, если вид соединений заранее определен;

- учет электрического режима и условий эксплуатации элементов выполняется приближенно.

Последовательность ориентировочного расчета:

а) на основе анализа электрической схемы разрабатываемого устройства формируются группы однотипных элементов

Признаком объединения элементов в одну группу является функциональное назначение элемента и, в определенной степени, эксплуатационная электрическая характеристика. Например, маломощные транзисторы объединяют в одну группу, мощные - в другую и т.д.

Монтажные соединения составляют отдельную группу. Если вид монтажа определен заранее, то отдельную группу составляют также несущие конструкции (печатная плата и т.д.)

б) для элементов каждой группы по справочникам (ТУ, каталогам и т.п.) определяется среднегрупповое значение интенсивности отказов. Если группу образуют элементы одного типа, то необходимость усреднения значений интенсивности отказов отпадает. Среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов разрабатываемого устройства сведено в таблицу 6.1

Таблица 6.1 - Интенсивность отказов элементов

Наименование элементов	Тип	Конструктивная характеристика	Кол.	Интенсив-ность отказов л0 , 1/ч	Интенсив-ность отказов л0Чn , 1/ч
Конденсатор	К50-35	Электролитический алюминиевый	2	0,122	0.144
	К10-17	Электролитический	2	0,173	0.346
	КМ-6	Керамический	9	0,173	1.557
Микросхема	КР140УД18	Общего применения	1	0.04	0.04
Резистор	1206	SMD	15	0.03	0.45
Транзистор	КТ817Б2	N-P-N	1	0.045	0.045
	КТ818Б	P-N-P	1	0.045	0.045
	2SC2331Y	N-P-N	1	0.045	0.045
	2SA1013Y	P-N-P	1	0.045	0.045
Предохрани-тель	ПЦ-30	Плавкий	1	0,173	0,173
Громкоговори-тель	4ГДШ-3		1	0,122	0,122
Пайка		ПОС-61	80	0,005Ч10-6	0,4Ч10-6
Плата печатная	9Ч10-6	FR-5	1	0,7Ч10-6	0,7Ч10-6
Всего:	5,4Ч10-6

в) для определения значения суммарной интенсивности отказов элементов устройства, используют уравнение:

л_У = ,(6.1)

где л_{0 j} - среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов j-й группы,

найденное с использованием справочников, j = 1, …, k;

n_j - количество элементов в j-ой группе, j = 1, …, k;

k - число сформированных групп однотипных элементов.

л_У .

г) с использованием обобщенного эксплуатационного коэффициента выполняется приближенный учет электрического режима и условий эксплуатации элементов.

Суммарная интенсивность отказов элементов РЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации определяется как:

л_У(н) = л_У · K_э = K_э · ,(6.2)

где K_э - обобщенный эксплуатационный коэффициент, выбираемый по таблицам

в зависимости от вида РЭУ или условий эксплуатации (для

разрабатываемого устройства равен 1,1)

Тогда

л_У(н) = 5,4 · 10^-6 · 1,1 = 6,1 · 10^-6 1/ч.

д) с использованием гипотезы об экспоненциальном законе надежности подсчитывают другие показатели надежности:

Среднее время безотказной работы устройства (средняя наработка до отказа) определяется с помощью следующего выражения:

Т_ср = 1 / л_У(н) = 1 / 6,1 · 10^-6 = 172 413 ч.

Вероятность безотказной работы устройства за заданное время t_з = 10000 часов определяется как:

P_У (t_з) = = 2,71^{-10000 · 6,1 · 0,000001} = 0,9.

Таким образом, в данном разделе был произведен оценочный расчет надежности устройства, который показал, что время наработки устройства на отказ превышает заданное в ТЗ (10000 часов), следовательно, требования надежности выполнены.

Заключение

В результате проделанной работы удалось разработать усилитель мощности звуковой частоты с малыми искажениями. Предусмотрено подключение внешних источников питания напряжением ±25 В.

Трассировка печатной платы производилась автоматизированно. При конструировании изделия и выборе его элементной базы учитывалось доступность и дешевизна деталей для уменьшения себестоимости и простоты ремонта в случае неисправности. Конструкция печатной платы и печатных проводников обеспечивает достаточный запас прочности.

Спроектированное изделие соответствует третьему классу точности.

В качестве исходных данных предоставлено: техническое задание, принципиальная схема устройства.

Данное изделие является технологичным, по расчетным данным комплексный коэффициент технологичности составил 0,9.

Литература

Нормативные документы

1 ГОСТ 2.001-93 ЕСКД. Общие положения. - М., 2005.

2 ГОСТ 2.101-68 ЕСКД. Виды изделий. - М., 2005.

3 ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов. - М., 2005

4 ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры. - М., 1953.

Основная

5 Альферович, Т. Я. Конструирование РЭС : конструкторский практикум: в 2 ч. Ч. 1 / Т. Я. Альферович. - Мн. : МГВРК, 2000.

6 Альферович, Т. Я. Конструирование РЭС : конструкторский практикум: в 2 ч. Ч. 2 / Т. Я. Альферович. - Мн. : МГВРК, 2000.

7 Грачев, А. А. Конструирование электронной аппаратуры на основе поверхностного монтажа компонентов / А. А. Грачев, А. А. Мельник, Л. И. Панов. - М. : НT-Пресс, 2006.

8 Медведев, А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А. М. Медведев. - М.: Техносфера, 2005.

9 Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: справочник / Э. Т. Романычева [и др.] ; под общ. ред. Э. Т. Романычевой. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Радио и связь, 1989.

10 Фрумкин, Г. Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры : учебник / Г. Д. Фрумкин. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1989.

Размещено на Allbest.ru

...