Проект термостабилизатора

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный технический университет

Кафедра естественно-технический колледж

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине МДК 02.01 Конструирование биотехнических и медицинских аппаратов и систем

Тема работы:

Проект термостабилизатора

Студентка группы БМС-121

Гриднева Жанна Олеговна

2016

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине МДК 02.01 Конструирование БМАС

Тема работы: «Проект термостабилизатора»

Студентка группы БМС-121 - Гриднева Жанна Олеговна

Технические условия напряжение питания, потребляемый ток, условия эксплуатации, атмосферное давление, температура воздуха, относительная влажность

Содержание и объем работы (графические работы, расчеты и прочее)

Введение, анализ технического задания, назначение и принцип действия устройства, обоснование и выбор элементной базы, расчёт печатной платы, расчёт надёжности, описание конструкции, заключение, список литературы. Графические работы: схема электрическая принципиальная ф. А1;перечень элементов ф. А4;чертёж печатной платы ф. А1;сборочный чертёж ф. А1; спецификация

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общая часть

1.1 Анализ технического задания

1.2 Назначение и принцип действия

2. Конструкторская часть

2.1 Выбор и обоснование элементной базы

2.1.1 Выбор конденсаторов

2.1.2 Выбор микросхем

2.1.3 Выбор предохранителя

2.1.4 Выбор светодиода

2.1.5 Выбор резисторов

2.1.6 Выбор переключателя

2.1.7 Выбор диодов

2.1.8 Выбор транзисторов

2.1.9 Выбор тиристора

2.2 Расчёт печатной платы

2.3 Расчёт надёжности

2.4 Описание конструкции

Заключение

Список литературы

Приложение А. Схема электрическая принципиальная

Приложение Б. Плата печатная

Приложение В. Сборочный чертёж

Приложение Г. Перечень элементов

Приложение Д. Спецификация

ВВЕДЕНИЕ

Промышленные применения термостабилизаторов весьма разнообразны ввиду того, что многочисленной продукции, относящейся к различным рынкам, для нормального функционирования необходима термостабилизация. К таким продуктам можно отнести полупроводниковые устройства, приспособления для нефти и газо-поисковых работ, воздухо-осушители, охлаждающие системы для различного электронного оборудования, холодильное оборудование для использования, как внутри помещения, так и на улице, огнеупорные насосные устройства, системы контроля температуры критических узлов станков и механизмов.

Предпочтение отдается использованию термостабилизаторов в случаях, когда имеются определенные ограничения размера, веса системы охлаждения, свободного пространства; необходим высокий уровень надежности либо работа ведется в особых условиях, например в вакууме.

В телекоммуникациях так же не обойтись без термостабилизаторов. Технология изготовления современных процессоров является наиболее прогрессивной в современной электронике. Основные требования, предъявляемые к их параметрам - увеличение быстроты функционирования и снижение потребляемой мощности, которые достигаются путем уменьшения напряжения питания процессоров. Термостабилизация также важна при эксплуатации винчестеров, видеокарт, материнских плат, CD-ROMов и прочих компонентов персональных компьютеров.

Охлаждение компьютерных процессоров с помощью радиатора и вентиляторов не обеспечивает необходимой стабилизации теплового режима, в то время как термоэлектрическая система может охлаждать компоненты процессора ниже комнатной температуры, что недостижимо, в случае использования жидкостной системы охлаждения, состоящей из радиатора и тепловых трубок для отвода жидкости.

Охлаждение с помощью термостабилизатора также используется для достижения большей производительности процессора.

Надежность, компактность, бесшумность, экологичность и высокая точность стабилизаторов делает их незаменимыми в медицинском и лабораторном оборудовании, где необходимость управления тепловыми ресурсами очевидна. Наиболее распространенное медицинское применение систем на основе ТЭМ -- термостаты, предназначенные для лабораторного использования в медицине, фармацевтике и исследованиях.

Поддержание стабильной температуры внутри рабочей камеры необходимо для проведения бактериологических, микробиологических, санитарно-бактериологических, вирусологических и биохимических исследований в клинико-диагностических, экологических и научно-исследовательских лабораториях.

Термостаты для лабораторного использования-- не единственное применение разрабатываемых термоэлектрических систем. Высокая точность контроля температуры устройств, идеальное решение для заморозки образцов тканей для исследований, создания портативных кулеров для транспортировки органов, приборов для превентивной и послеоперационной терапии.

Термостабилизация применяется у предназначенной для шоковой заморозки плазмы крови и компонентов (плазма замораживается до -30С в ядре). Это незаменимый в медицине, инновационный российский продукт, не имеющий мировых аналогов по экологичности, безопасности и надежности.

В качестве аналога проектируемого мною устройства я выбрала термостабилизатор, выпускаемый частным предприятием «Энергосбережение».

Терморегулятор ТРМ 1 предназначен для измерения, регистрации или регулирования температуры теплоносителей и различных сред в холодильной технике, сушильных шкафах, печах различного назначения и другом технологическом оборудовании.

Достоинства прибора: улучшенная помехоустойчивость,повышенная надежность, гарантийный срок эксплуатации2 года, универсальный вход (все типы датчиков),диапазон рабочих температур -20...+50 С.

Недостатки прибора: затраты времени на переключение параметров программирования и высокая стоимость.

Применения такого устройства в медицине возможно для охлаждения, хранения и транспортировки крови и гемо компонентов до мест переработки или в медицинских стационарах и передвижных госпиталях.

Проектируемый прибор сократит затраты времени, на переключение параметров программирования, за счет применения современных, широко распространённых элементов будет дешевле аналога.

1. Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Проектируемое устройство предназначено для охлаждения, хранения и транспортировки крови и гемо компонентов до мест переработки или их непосредственного использования (медицинские стационары и передвижные госпитали)

В существующее устройство в результате курсового проектирования будут внесены некоторые улучшения: сократятся затраты времени, на переключение параметров программирования.

Проектируемое устройство будет иметь следующие технические характеристики:

- напряжение питания, В

- ток потребления, А

- частотный диапазон, МГц

- диапазон рабочей температур, °С

- влажность,%

Основные задачи курсового проектирования:

Устройство должно быть малогабаритным, удобным в эксплуатации.

Термостабилизатор должен быть малогабаритным, легким,удобным и безопасным в эксплуатации, ремонтно-пригодным, эстетичным, с низкой стоимостью.

В качестве элементной базы должны использоваться современное широко распространённые недорогие элементы.

1.2 Назначение и принцип действия

Схема электрическая принципиальная прибора термостабилизатора.

Предназначен для охлаждения, хранения и транспортировки крови и гемо компонентов до мест переработки или их непосредственного использования (медицинские стационары и передвижные госпитали)

Требуемую температуру устанавливают переменным резистором R7. Устройство содержит переключатель, позволяющий устанавливать режимы охлаждения или нагревания.

Датчик температуры - терморезистор RK1. Питают его от параметрического стабилизатора HL1, R5. Сигнал датчика усиливается транзистором VT2 и воздействует на входы элемента DD1.2: повышенной температуре соответствует высокий уровень на его выходе, а пониженной - низкий. Резистор R9 обеспечивает некоторый гистерезис срабатывания датчика при изменении температуры, что необходимо для позиционного регулирования.

Далее прямой или инвертированный элементом DD1.3 сигнал состояния датчика температуры поступает на нижний по схеме вход (вывод 12) элемента совпадения DD1.4, на верхнем входе которого (вывод 13) присутствуют импульсы синхронизации, соответствующие моментам перехода сетевого напряжения через ноль. Только наличие напряжения высокого уровня на нижнем входе разрешает подачу управляющих импульсов на симистор, поэтому положению "Нагревание" переключателя SA1 соответствует включение симистора при уменьшении температуры, а положению "Охлаждение" - при увеличении. Светодиод НL2 индицирует работу регулятора: красному свечению соответствует отключенное состояние нагрузки, а зеленому - включенное.

Для надежной работы симистора при пониженной температуре (до 2...4°С) ток управляющего электрода увеличен до 80 мА, а длительность импульса - до 0,7 мс (0,3 мс до момента перехода напряжения сети через ноль и 0,4 мс после). Для такого импульса и мощности нагрузки 75 Вт мгновенные значения тока через симистор на фронтах импульса несколько превышают нормируемые значения тока удержания. Однако помимо подобного согласования нагрузка регулятора должна с запасом обеспечивать нужный тепловой режим в хранилище. При одном и том же качестве теплоизоляции изменение мощности влияет лишь на соотношение времени включенного и отключенного состояния нагрузки и не влияет на регулируемую среднюю температуру и электрические режимы элементов регулятора. Поэтому мощность нагрузки при нагревании (реостата, лампы накаливания и т.п.) целесообразно увеличить, чтобы можно было использовать худшие экземпляры симисторов с повышенным током удержания. Для охлаждения мощность вентилятора может быть невелика и потребуется лучший экземпляр симистора с небольшим током. Важно обеспечить выполнение этого условия. Дело в том, что если из-за малого тока нагрузки симистор в один из полупериодов не будет открываться, через нагрузку потечет однополярный ток, совершенно недопустимый для двигателя переменного тока.

Налаживание термостабилизатора сводится к установке регулируемой температуры в хранилище по термометру переменным резистором R7. В процессе эксплуатации температуру в хранилище следует периодически контролировать, чтобы продукция не испортились при отключениях электроэнергии, неисправностях, сильных морозах и т.п.

Устройство имеет гальваническую связь с электрической сетью.

Это следует помнить при изготовлении и налаживании стабилизаторов и соблюдать меры предосторожности: все изменения в конструкцию вносить только в отключенном от сети состоянии.

2. Конструкторская часть

2.1 Выбор и обоснование элементной базы

Обоснование выбора элементной базы является весьма ответственным этапом в работе конструктора, т.к. выбор элементов определяет важнейшие показатели проектируемого изделия:

- надежность,

- стоимость.

Исходными данными для выбора того или иного элемента являются:

- назначение элемента (назначение цепи, в которой он находится);

- режим цепи, в которую включен элемент (рабочая частота, параметры импульсов, ток, напряжение);

- электрический номинал элемента и основные его параметры (величина сопротивления, номинальная рассеиваемая мощность, величина емкости и т. д.);

- условия эксплуатации проектируемого прибора (температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность окружающего воздуха, параметры механических воздействий);

- требования к массогабаритным показателям.

При обосновании выбора того или иного элемента конструктор должен руководствоваться следующими критериями:

- электрические параметры выбираемого элемента должны соответствовать режиму цепи и номиналу, указанному на схеме;

- технические условия (ТУ) на выбранный элемент должны соответствовать условиям эксплуатации проектируемого изделия, указанным в техническом задании на разработку;

- конструкция выбираемого элемента должна обеспечивать удобство его установки;

- коммутационные изделия, установленные на передней панели должны удовлетворять требованиям технической эстетики;

- при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать более миниатюрным элементам;

- надежность выбираемого элемента должна быть максимальной;

- стоимость выбираемого элемента должна быть минимальной.

Следует подчеркнуть, что последние два критерия являются противоречивыми. Как правило, наиболее надежными элементами являются наиболее дорогие. Поэтому при выборе элементов необходимо ориентироваться либо на обеспечение заданной надежности, либо на обеспечение так называемой оптимальной надежности.

2.1.1 Выбор конденсаторов

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором является две металлических пластины (электроды) разделенных слоем диэлектрика.

Исходными данными для выбора конденсаторов являются:

- номинальная величина ёмкости, указанная на схеме и допуск на величину ёмкости;

- назначение цепи, в которой стоит конденсатор;

- режим цепи: постоянный ток, переменный ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов;

- условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора (температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки);

- желательное конструктивное оформление конденсатора.

В разрабатываемой схеме применяют керамические конденсаторы К10-17,и пленочные металлизированные конденсаторы К73-17,предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. Применяются для автоматизированного поверхностного монтажа на печатной плате, с последующей пайкой, оплавлением горячим воздухом или в инфракрасных печах. Герметичная конструкция обеспечивает защиту, и допускает промывку платы после монтажа. При выборе типономинала, конкретного конденсатора необходимо учитывать функциональные требования, электрическую нагрузку конденсатора.Так же в схеме используем электролитические алюминиевые конденсаторы К50-35, обладающие большой емкостью, в пересчете на единицу, низкой ценой и доступностью.

Основные параметры конденсатора К10-17:

- диапазон номинальных емкостей: пф... мкФ 2,2...1,5;

- номинальное напряжение: В 40; 50; 100;

- допускаемые отклонения емкости: % ±5; ±10; ±20; +50...-20; +80...-20;

- группа ТКЕ - П33; М47; М750; М1500; Н50; Н90; - диапазон температур: °С - 65...+125;

Внешний вид и габаритные размеры корпуса К10-17 приведены на рисунке 1

Рисунок 1

Основные параметры конденсатора К50-35:

- рабочее напряжение, В 16;

- номинальная емкость, мкФ 220;

- допуск номинальной емкости,% 20;

- рабочая температура, °С - 40…105;

- тангенс угла потерь,% 0.16.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса К50-35 приведены на рисунке 2

Рисунок 2

Основные параметры конденсатора К73-17:

- тип корпуса b32562;

- рабочее напряжение переменное, В 350;

- рабочее напряжение постоянное, В 630;

- номинальная емкость 0.47;

- допуск номинальной емкости, % 10;

- рабочая температура, °С - 55…100;

- тангенс угла потерь % 0.008.

Внешний вид габаритные размеры корпуса К73-17 приведены на рисунке 3

Рисунок 3

2.1.2 Выбор микросхем

Интегральная микросхема электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборок.

Микросхемы делятся на три основных группы - логические, аналоговые, специализированные.

Специализированные микросхемы заменить другим типом нельзя, так как при этом потребуется изменить построение схемы.

При выборе микросхем учитываются их параметры;

- назначение,

- напряжение питания,

- способ монтажа,

- ток потребления,

- входные и выходные уровни напряжения и токов.

При выборе цифровых микросхем в первую очередь стоит определиться с технологией их изготовления. В настоящий момент выпускается микросхемы по технологиям ТТЛ, КМОП, ТТЛШ, ЭСЛ. Среди них стоит отметить технологию КМОП, которая благодаря использованию комплементарных структур на полевых транзисторах имеет очень малое энергопотребления, большие входные и малые выходные сопротивления, что позволяет реализовывать не только логические функции, но и аналоговые формирователи импульсов.

Наиболее распространёнными микросхемами технологии КНОМ являются микросхемы серии К176, К561, К564, К1561, К1564 имеют малые допуски по напряжению, что снижает надёжность устройства, а К564 является серией для военного применения и ее применение увеличит стоимость устройства. К1561 и К1564 является более быстродействующими вариантами К561 и К564, соответственно являются дороже, поэтому выбор падает на серию К561.

Согласно принципиальной схеме необходимо использовать микросхему К561ТЛ1 содержат 4 элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта на входах.

Микросхемы с триггерами Шмитта широко применяются для двухуровневого преобразования аналоговых сигналов в цифровые. В отличие от обычных КМОП - элементов, триггеры Шмитта позволяют получить четкий выходной сигнал при сравнительно медленном фронте импульса на входе - таким образом, они обеспечивают помехоустойчивость цифровой части схемы по входу

Основные параметры микросхемы К561ТЛ1:

- напряжение питания, В +3...18;

- ток потребления, мА 0,03;

- выходной ток низкого уровня, мА 0,42;

- напряжение срабатывания, В 2,8;

- напряжение отпускания, В 2,2;

- время задержки распространения, нс 600;

- температура окружающей, ^оС 45...+85.

Расположение выводов К561ТЛ1 приведено на рисунке 4, габаритные размеры корпуса на рисунке 5

Рисунок 4



Рисунок 5

2.1.3 Выбор предохранителя

Электрический предохранитель -- компонент электрических устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети.

При проектировании современных систем электроснабжения, все реже, в качестве защитной аппаратуры электрических цепей применяют предохранители с плавкими вставками. Однако, такой вид защиты достаточно широко распространен среди существующих электрических сетей.

В основном, плавкие предохранители (ПП) продолжают использовать в домах старого жилого фонда, в не модернизированных городских сетях, а также на производстве; для защиты силовых сборок, питающих однофазных потребителей. Основным преимуществом ПП, перед другими видами защитных аппаратов, является их невысокая стоимость и простота в обслуживании.

Выбор плавких предохранителей осуществляется по двум основными параметрам: номинальное напряжение и ток короткого замыкания (КЗ), который предохранитель способен разорвать.

Номинальное напряжение его обусловлено классом изоляции. ПП получили распространение в электроустановках до 10 кВ, как правило, защищают высоковольтные трансформаторы напряжения.

Для использования в электроустановках до 1000В, предохранители выпускаются на все стандартные классы напряжения, в сетях переменного и постоянного тока. Второе условие выбора ПП объясняется надежностью гашения дуги, во избежание развития аварии. Судя по этим параметрам, выбираем предохранитель класса ВП4-1.

Основные параметры предохранителя ВП4-1:

- материал керамика;

- номинальное напряжение, В 250;

- номинальный рабочий ток, А 30;

- рабочая температура, ^оС - 60…100;

- рабочий ток: мА,А 10-30.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса ВП4-1 приведены на рисунке 6

Рисунок 6

2.1.4 Выбор светодиода

Светодиод или светоизлучающий диод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) -- в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Основные отличия светодиода от обычного диода:

- светодиод светится при протекании по нему прямого тока, а обычный диод - нет;

- светодиоды выполняются не на основе кремния, а на основе арсенида галлия и др. полупроводниковых материалов.

- прямое падение напряжение на светодиоде составляет около 2 вольт.

- светодиоды не рассчитаны на обратное включение (потенциал катода больше потенциала анода) - смысла нет. Поэтому светодиоды имеют небольшие максимально допустимые обратные напряжения (порядка двух вольт).

Среди инфракрасных светодиодов можно выделить AЛ102В; применяются для индикации различных режимов и состояний аппаратуры: наличие питания, готовность к работе, аварийное состояние, а также могут быть собраны в линейные шкалы или матрицы при необходимости отображения информации больших габаритов. В проектируемой схеме ставим именно их.

Основные технические параметры светодиода AЛ102В:

- материал gap;

- цвет свечения зеленый;

- длина волны, нм 562;

- минимальная сила света Iv мин., мКд 0.45;

- максимальная сила света Iv макс., мКд 0.45;

- при токе Iпр., мА 20;

- цвет линзы зеленый;

- максимальное прямое напряжение, В 2.8;

- максимальное обратное напряжение, В 2;

- максимальный импульсный прямой ток,мА 60;

- рабочая температура, ^оС -60…70.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса AЛ102В изображенные на рисунке 7

Рисунок 7

2.1.5 Выбор резисторов

Резисторы предназначены для создания в электрической цепи, требуемой величины сопротивления, обеспечивающей перераспределение и регулирование электрической энергии между элементами в схеме

Резисторы делятся на 3 большие группы:

- проволочные,

- не проволочные,

- металлофольговые.

Чтобы выбрать резистор нужно знать назначение цепи и параметры устройства. Выбираем резисторы с соответствующей мощностью рассеивания, чтобы резистор не перегревался, стараемся выбрать одного типономинала.

Непроволочные резисторы менее стабильны, имеют значительные шумы, не обладают идеальной ВАХ, но имеют высокую механическую прочность, их сопротивление менее зависит от частоты, они значительней дешевле.

В схеме можно поставить резисторы типа С2-23, С2-33, С2-38, С1-14. Они имеют малые габариты, низкую стоимость, теплостойкость, хорошую сохраняемость и большую обработку на отказ. Из них выбираем резисторы С2-23; c мощностью рассеивание 0,125 Вт.

Основные технические характеристики резистора С2-23

- номинальная мощность, Вт 0,125;

- диапазон номинальных сопротивлений, Ом от 1 до 2,2;

- допустимое отклонение сопротивление от номинального, % 10;

- диапазон рабочих температур, ^оС от -55 до +125.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса С2-23 изображенные на рисунке 8

Рисунок 8

Также в схеме будут использоваться подстрочный резисторы, типа СП5-39А с мощностью рассеивания 0,5 ВТ.

Построечный резистор -- переменный резистор, предназначенный для тонкой настройки радиоэлектронного устройства в процессе его монтажа или ремонта. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства и недоступны для пользователя при нормальной эксплуатации.

Подстрочные резисторы имеют различную конструкцию и назначение. Они бывают однооборотные и многооборотные, общего назначения и прецизионные, проволочные и непроволочные.

Непроволочные переменные резисторы типов СП, СПО, СП3, ТК, ВК используются для плавной регулировки электрических параметров радиоэлектронной аппаратуры.

В резисторах типа СП3 токопроводящий слой наносят на подковообразную гетинаксовую пластинку. На концах токопроводящего слоя выполнены посеребренные контакты, к которым присоединяются крайние выводы. СП3-19А и Б, СП3-38А и Б, СП3-39А и Б, где А или Б это исполнение и способ монтажа резистора.

В схеме используется переменный резистор СП3-19А

Основные технические характеристики резистора СП3-19А:

- номинальное сопротивление, Ом от 10 до ;

- допускаемое отклонение сопротивления, % ± 20;

- износоустойчивость, циклов 500;

- диапазон рабочих температур, °С -60...+155.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса СП3-19А приведены на рисунке 9

Рисунок 9

2.1.6 Выбор переключателя

Переключатель - электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

Однако рост числа переключателей, многие из которых, по всей видимости, выполняют одинаковые функции, приводит к тому, что конструктору трудно остановить свой выбор на конкретном переключателе для выполнения той или иной функции. В одном техническом каталоге, например, перечислено 87 различных типов переключателей, преимущественно электромеханических.

Большинство переключателей можно разделить на две большие категории: полупроводниковые и электромеханические. Благодаря этому можно выработать обобщенные рекомендации для обеих категорий.

Следует отметить, что, поскольку существует огромное количество разнообразных (по типам, моделям и качеству) переключателей, в задачу выбора изделия входят и такие факторы, как стоимость и надежность.

Рассмотрим подходящий по параметрам переключатель ПГ2-29 (8П1Н), малогабаритный галетный переключатель поворотного типа, предназначен для работы в электрических цепях постоянного и переменного токов. Изготавливаются во все климатическом исполнении.

Основные параметры переключателя ПГ2-29(8П1Н)

- способ монтажа	под пайку;
- тип исполнения	Прямой;
- количество контактных групп	1;
- количество контактов в контактной группе	3;
- сопротивление изолятора не менее,Мом	100;
- сопротивление контактов не более,Ом	0.1;
- рабочее напряжение,В	125;
- рабочий ток,А	0.3;
- рабочая температура, °С	-50...55.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса ПГ2-29(8П1Н) приведены на рисунке 10

Рисунок 10

2.1.7 Выбор диодов

Диод - вакуумный или полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь.

Диоды бывают:

- выпрямительные - диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока.

- высокочастотные - эти диоды предназначены для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты.

- варикапы - диоды, работа которых основана на изменении емкости электронно-дырочного перехода в зависимости прикладываемого обратного напряжения.

- стабилитроны - диоды, используемые для стабилизации напряжения.

- туннельные - диоды, где при больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект p-n-перехода.

Принцип действия диода основан на том, что в полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны, и их концентрация превышает концентрацию дырок (nn>>np). В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки (np>>nn). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается диффузия: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости, достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,3В для германиевых n-p-переходов и 0,65В для кремниевых.

Диоды различают по следующим признакам. По конструкции: плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды. По мощности: маломощные; средней мощности; мощные. По частоте: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ. По функциональному назначению: выпрямительные диоды; импульсные диоды; стабилитроны; варикапы; светодиоды; тоннельные диоды. В проектируемой схеме используются диоды Д814А, Д223А.

Основные параметры диода Д814А

- минимальное напряжение, В 7;

- максимальное напряжение, В - 8,5;

- ток стабилизации, мА - 5;

- температурный коэффициент напряжения °С - 0,07;

- временная нестабильность напряжения, мкс ±1;

- постоянное прямое напряжение, В 1(50);

- дифференциальное сопротивление, Ом 5;

- минимально допустимый ток, мА 3;

- максимально допустимый ток, мА 40;

- прямая рассеивая мощность, Вт 0,34;

- рабочий диапазон температуры, °С -60...+125.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса Д814А приведены на рисунке 11

Рисунок 11

Основные параметры диода Д223А

- максимальное постоянное обратное напряжение, В 100;

- максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А 0.05;

- максимально допустимый прямой импульсный ток, А 0.5;

- максимальное прямое напряжение, В 1;

при Iпр., А 0.05;

- рабочая температура, °С -60…125.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса Д223А приведены на рисунке 12

Рисунок 12

2.1.8 Выбор транзисторов

Транзистор - полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами предназначенный для усиления мощностей электрических сигналов.

Все транзисторы делятся на два основных типа: полевые и биполярные. Они различаются в первую очередь основным принципом действия. Управление рабочим током в полевом транзисторе обеспечивается электрическим полем в области управляющего электрода -- затвора. В биполярном транзисторе управление производится током на управляющем электроде -- базе.

Все транзисторы включают совокупность областей с n- и p-проводимостью, и для каждого типа транзисторов существует комплементарная пара, в которой n-области одного соответствуют p-областям другого и наоборот.

По материалу полупроводника транзисторы подразделяются на:

- германиевые,

- кремниевые.

У биполярного транзистора три электрода: эмиттер, база и коллектор. Ток на базе управляет током эмиттер-коллектор. В зависимости от внутренней структуры биполярные транзисторы бывают типа NPN или PNP.

Транзисторы бывают: маломощные, мощные, средней мощности. В данном устройстве должны использоваться транзисторы средней мощности PNP типа. В схеме выбираются транзисторы KT118A, KT 3107 Б, KT 209 Б.

Основные параметры транзистора KT118A:

- структура p-n-p;

- макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э. (Uкбо, макс), В 15;

- макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс), В 15;

- максимально допустимый ток к (Iк макс. А) 0.05;

- статический коэффициент передачи тока, мин 10;

- граничная частота коэффициента передачи тока, МГц 1;

- максимальная рассеиваемая мощность, Вт 0.1.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса KT118A приведены на рисунке 13

Рисунок 13

Основные параметры транзистора KT 3107Б

- структура p-n-p;

- макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э. (Uкбо макс), В 50;

- максимально допустимый ток к (Iкмакс. А) 0.1;

- статический коэффициент передачи тока h21э мин. 120;

- граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц 200;

- максимальная рассеиваемая мощность, Вт 0.3;

- корпус kt-26.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса KT 3107Б приведены на рисунке 14

Рисунок 14

Основные параметры транзистора KT 209 Б

- структура p-n-p;

- макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э. (Uкбо макс), В 15;

- макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б. (Uкэо макс), В 15;

- максимально допустимый ток к (Iк макс. А) 0.3;

- статический коэффициент передачи тока h21э мин 40…120;

- граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц 5;

- максимальная рассеиваемая мощность, Вт 0.2;

- корпус to-92.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса KT 209 Б приведены на рисунке 15

Рисунок 15

2.1.9 Выбор тиристора

Тиристор -- полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Симисторы КУ208Г, КУ208В, КУ208Б, КУ208А - триодные, планарные, структуры p-n-p-n, кремниевые, не запираемые, симметричные (Также называемые тиристорами). Основное назначение - симметричные переключающие элементы средней мощности для устройств автоматической коммутации и регулирования цепей силовой автоматики на переменном токе. Имеют металлостеклянный корпус и жёсткие выводы. Тип симистора нанесён на его корпусе. Весит (вместе с комплектующими) не более 18 г. Без комплектующих - 12 г. Среди номенклатуры тиристоров был выбран KY208Г представленный на рисунке 16

Основные параметры тиристора KY208Г

- постоянное напряжение в открытом состоянии, В Ioсl5MA?;

- постоянный ток в закрытом состоянии, мА Uзс<Uзс, mах;

- отпирающий импульсный ток управления, мА 600;

- наименование цветного металла или сплава медь;

- маркам 1;

- масса, г 8,1;

- рабочая температура, °С -60……85.

Внешний вид и габаритные размеры корпуса KY208Г приведены на рисунке

Основная информация о выбранных элементах сведена в таблицу 1. Неуказанные производителем параметры взяты из описания аналогичных элементов.

Таблица 1

Выбранный элемент	Условия эксплуатации по ТУ	Интенсивность отказов, x
	Количество	Температура, °С	Влажность, %	Атмосферное давление, атм	Частота вибрации, Гц	Ускорение, g	Конструкция выводов
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Конденсатор К10-17	1	-65...+125	98	3	1500	5	торцевые	0,14
Конденсатор К50-35	1	-40…+105	98	3	1500	5	торцевые	0,24
Конденсатор К73-17	1	-55…+100	98	3	1500	5	торцевые	0,14
Микросхема К561тЛ1	1	-45...+85	98	3	1500	5	планарные с формовкой	0,1
Предохранитель ВП4-1	1	-60…+100	98	3	1500	5		1,3
Светодиод АЛ102В	3	-60…+70	98	3	1500	5	торцевые	1,2
Резистор С2-23	14	-55….+125	98	3	1500	5	осевые	0,02
Резистор переменный СП3-19А	1	-60...+155	98	3	1500	5	торцевые	0,07
Переключатель ПГ2-29	1	-50...+55	98	3	1500	5	осевые	0,8
Диод Д814А	1	-60...+125	98	3	1500	5	штыревые	0,5
Диод Д223А	2	-60…+125	98	3	1500	5	штыревые	0,25
Транзистор КТ118А	1	-60…+100	98	3	1500	5	торцевые	0,4
Транзистор КТ3107Б	1	-60…+135	98	3	1500	5	торцевые	0,26
Транзистор КТ209Б	1	?45…+100	98	3	1500	5	торцевые	0,4
Тиристор КУ208Г	1	-60…+85	98	3	1500	5	штыревые	0,5

2.2 Расчёт печатной платы

Печатная плата - изделие состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями пазами, вырезами и системами токопроводящих полосок металла проводников, которую используют для установки и коммутации ЭРЭ.

В качестве материала для печатной платы устройства для поддержания температуры используется стеклотекстолит, т.к. он имеет следующие преимущества по сравнению с гентексом:

- большая механическая стоимость;

- большая влагостойкость;

- большая термостойкость;

- лучшая адгезия фольги со стеклотекстолитом;

- при сверлении отверстий даёт меньшую шероховатость поверхности.

Выбираем материал СФ-35-1,5.Толщина фольги 5мкм,ток протекающий по проводникам равен 0,8 А.?

При расчёте печатной платы рассчитываются электрические и конструктивные параметры. К электрическим относятся:

-t - ширина печатного проводника;

- S - расстояние между печатными проводниками;

- C - емкость печатного проводника;

- I - Индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам относятся:

- размер печатной платы;

- диаметр контактных площадок;

- минимальное расстояние между центрами двух отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Рассчитываем ширину печатного проводника по формуле:

(1);

где I - протекающий ток, А;

j -допустимая плотность тока, А/мм;

h - толщина фольги, мм.

Исходные данные для расчёта:

- толщина фольги h, мм 0,05;

- ток, протекающий по проводнику I складывается из токов всех видов активных элементов схемы, А 0,8;

- плотность тока j выбирается по справочнику, исходя из того что изделие относится к бытовой РА,А /мм 30.

(мм);

Рассчитав ширину печатного проводника по формуле. Принимаем t = 0,45 мм, т.к. при меньшем значении класс точности платы необходимо будет повысить до 4 и 5,что необоснованно увеличит стоимость.

Так как напряжение не более 25В, то расстояние по ГОСТ 103 16-80,берем расстояние между двумя проводниками 0,1..0,2. Для 2 класса точности изготовления печатной платы S = 0,45мм

Плата односторонняя, изготавливается химическим методом с нанесением рисунка способом сеткографии.

Определение конструктивных параметров

Определяем диаметры монтажных отверстий по формуле:

d_О = d_В + , (2);

Диаметры монтажных отверстий должны быть несколько больше диаметров выводов ЭРЭ, причем:

d_О = d_В + ,

при d ? 0,8 мм Д = 0,2 мм;

при d> 0,8 мм Д = 0,3 мм,

при любых d Д = 0,4 мм, если ЭРЭ устанавливаются автоматизировано.

Рекомендуется на плате иметь количество размеров монтажных отверстий не более трех. Поэтому диаметры отверстий, близкие по значению, увеличивают в сторону большего, но так, чтобы разница между диаметром вывода и диаметром монтажного отверстия не превышала 0,4 мм.

термостабилизатор транзистор тиристор печатный плата

Таблица 2

Диаметры монтажных отверстий

Элемент	Диаметр, мм	Количество
	вывода	отверстия	принятый	выводов	элементов	отверстий
1	2	3	4	5	6	7
Конденсатор К10-17	0,6	0,8	0,8	2	1	2
Конденсатор К50-35	0,5	0,7	0,8	2	1	2
Конденсатор К73-17	0,6	0,8	0,8	2	1	2
Микросхема К561тЛ1	0,5	0,7	0,8	14	1	14
Предохранитель ВП4-1	0,6	0,8	0,8	2	1	2
Светодиод АЛ102В	0,5	0,7	0,8	3	3	9
Резистор С2-23	0,6	0,8	0,8	2	14	28
Резистор переменный СП3-19А	0,5	0,7	0,8	2	1	2
Переключатель ПГ2-29	0,8	1.0	1.0	5	1	5
Диод Д814А	0,8	1.0	1.0	2	1	2
Диод Д223А	0,6	0,8	0,8	2	2	4
Транзистор КТ118А	0,6	0,8	0,8	3	1	3
Транзистор КТ3107Б	0,6	0,8	0,8	3	1	3
Транзистор КТ209Б	0,6	0,8	0,8	3	1	3
Тиристор КУ208Г	0,6	0,8	0,8	3	1	3
Прочие монтажные отверстия
Крепежные отверстия
Итого отверстий диаметром 3,0
Итого отверстий диаметром 1,2
Итого отверстий диаметром 0,8

Т.к. различных диаметров отверстий рекомендовано иметь на плате не более трех выбираем диаметр 0,8 мм и 1,2 мм для монтажных отверстий.

Для выбора размеров печатной платы определяется её площадь под технические (крепёжные) и монтажные отверстия.

(3);

где F_ЭРЭ - площадь, занимаемая электро-радиоэлементами (ЭРЭ);

F_ТО - площадь, занимаемая технологическими и/или крепежными отверстиями;

F_СВ - площадь, которую не должны занимать электро-радиоэлементы по конструктивным соображениям;

К_З - коэффициент заполнения печатной платы, обычно берется в пределах 0,3…0,8.

Рассчитываем площадь

Таким образом, вычислив площадь отверстий вместе с площадью ЭРЭ, получим

(4);

Исходные данные для расчёта площади занимаемой ЭРЭ и отверстий, приводиться в таблице 3.

Таблица 3

Наименование	Количество	Площадь одного элемента, кв. мм	?F, мм2
1	2	3	4
Конденсатор К10-17	1	31,28	31,28
Конденсатор К50-35	1	12,56	12,56
Конденсатор К73-17	1	222,75	222,75
Микросхема К561тЛ1	1	150	150
Предохранитель ВП4-1	1	75,4	75,4
Светодиод АЛ102В	3	9,16	27,48
Резистор С2-23	14	13,20	184,8
Резистор переменный СП3-19А	1	210	210
Переключатель ПГ2-29	1	75,4	75,4
Диод Д814А	1	105	105
Диод Д223А	2	48	96
Транзистор КТ118А	1	9,168	9,168
Транзистор КТ3107Б	1	8,162	8,162
Транзистор КТ209Б	1	8,162	8,162
Тиристор КУ208Г	1	51,36	51,36
Отверстия
О,8
2
3

Выбираем коэффициент заполнения печатной платы, который обычно берется в пределах от 0,3 до 0,8.

Отсюда площадь печатной платы:

(5);

Длина стороны печатной платы по ГОСТ 10317-79 должна заканчиваться 0 или 5.Далее подбираем размеры платы из неравенства:

Из реальных размеров разведённой платы длина сторон 60 и 60 мм, т.е.

А = 60 мм, В = 60 мм:

Рассчитаем реальный коэффициент заполнения по формуле:

(6);

Где и выбранные размеры печатной платы.

Отсюда следует:

Рассчитываем диаметр контактных площадок по формуле:

(7);

где b - радиальная ширина контактной площадки, мм;

Дd - предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм;

Т_d - значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм;

Т_D - значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм.

Отсюда следует:

Определяем минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников по формуле:

(8);

где d_О1 и d_О2 - диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладываю...