Устройство для защиты радиоэлектронной аппаратуры от аварийного напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сегодня повсеместно используются радиоэлектронная аппаратура которая работает от сети. Так как в сети могут возникнуть скачки напряжения, то аппаратура может легко утратить свою работоспособность. Эту проблему поможет решить устройство защиты сетевой аппаратуры от аварийного напряжения, о котором и будет вестись речь в этом курсовом проекте.

Предлагаемое устройство отключит питание от аппаратуры, чувствительной к изменениям сетевого напряжения, в случае его выхода за установленные пределы. После возврата напряжения к норме аппаратура снова будет подключена к сети. Информация о сетевом напряжении, за которым постоянно следит микроконтроллер, выводится на трехразрядный цифровой светодиодный индикатор.

С помощью данного устройства можно будет не только уберечь аппаратуру от аварийного напряжения, но и отслеживать значение сетевого напряжения в реальном времени.

В устройстве можно установить нижний предел напряжения в интервале 150-218В и верхний - в интервале 222-255В, а также продолжительность задержки (0-255с) подключения нагрузки к сети после того как сетевое напряжение вернется в норму. В ходе работы микроконтроллер непрерывно измеряет средневыпрямленное напряжение сети и сравнивает результат с заранее установленными предельными значениями.

1 Анализ технического задания

1.1 Назначение и общая характеристика

Данное устройство предназначено для защиты бытовой аппаратуры от аварийного напряжения и будет применятся в домашних и офисных условиях. Оно отключит устройство от сети при аварийном напряжении и, после возвращения его в норму, снова подключит устройство к сети.

Установки пороговых значение напряжения срабатывания защиты а также продолжительности задержки подключения нагрузки осуществляют кнопками SB1-SB3. При нажатии на кнопку SB3 входят в режим «меню», а нажатием на кнопку SB1 или SB2 проводят выбор устанавливаемых параметров: «uhi» (верхний предел), «ulo» (нижний предел) и «dlt» (длительность задержки). Последующее нажатие на кнопку SB3 приводит к выводу на индикатор HG1 значения устанавливаемого параметра, и нажатием на кнопку SB1 или SB2 увеличивают или уменьшают его значение. При длительном нажатии изменение параметра в сторону увеличения или уменьшения происходит быстрее (около шести раз в секунду). Если в течение 5с на кнопки не нажимать, устройство вернется в рабочий режим, а установки сохранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера.

В рабочем режиме на индикаторе постоянно отображается текущее значение напряжений сети. Когда оно выйдет за установленные пределы, нагрузка будет отключена от сети, а индикатор начнет мигать с частотой 2Гц. После возврата напряжения в норму, он мигает с частотой 1Гц, сигнализируя о том, что еще не истекла установленная задержка включения. По ее окончании индикатор перестанет мигать, а нагрузка будет подключена к сети. Для защиты от сбоев программы в микроконтроллере включен сторожевой таймер.

Налаживание сводится к установке правильных показаний индикатора. Для этого устройство подключают к сети вместе с образцовым вольтметром переменного тока или мультиметром.

Подстроечный резистором R2 добиваются совпадений показаний. Поскольку все элементы устройства находятся под напряжением сети, при его налаживании и эксплуатации следует соблюдать правила техники безопасности. Кроме того, желательно штырь вилки XP1, соединенный с плавкой вставкой FU1 и контактами реле K1.1, подключить к фазному проводу сети.

электрический элементный блок защита

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействиям

Проектируемое устройство является бытовой радиоэлектронной аппаратурой и относится к группе I и в соответствии с ГОСТ 15.150-69 должно отвечать следующим параметрам:

- температура 10…40 °C

- относительная влажность

при температуре 25 °C 93 %

- значение пониженного

атмосферного давления при

температуре 25 °C 10 °C 70 кПа (525 мм рт.ст.)

- диапазон частот 10…55 Гц

При этом нормальными климатическими условиями являются:

- температура 10…15 °C

- относительная влажность

при температуре 25°C 40…75 %

- атмосферное давление 86…106 кПа

(650…800 мм рт.ст.)

1.3 Требования к надежности

По ГОСТ 16019-78 группа I условий эксплуатации включают в себя следующие требования:

а) испытания на прочность при воздействии синусоидальных вибраций с частотой 20 Гц;

б) испытания на воздействия повышенной влажности:

- относительная влажность воздуха 80%,

- температура окружающей среды +25°С,

- время выдержки 48 ч;

в) испытания на воздействие повышенной температуры:

- рабочая температура 40°С,

- время выдержки 6 ч;

г) испытания на воздействие пониженной температуры:

- предельная температура -40°С,

- время выдержки 6 ч;

д) испытания на воздействие пониженного атмосферного давления:

- температура среды -10°С,

- атмосферное давление 6,1*104 Па,

- время выдержки 6 ч;

е) испытания на прочность при транспортировании:

- длина ударного импульса от 5 до 10 мс,

- частота ударов 40-80 Гц,

- пиковое ударное ускорение 5 g.

Климатическое исполнение УХЛ 4.1 ГОСТ 15150-89:

- значение температуры воздуха от +1°С до +40°С;

- относительная влажность воздуха при температуре 25°С 45..80 %;

- атмосферное давление (8,36..10,6)*104 Па.

2 Анализ схемы электрической принципиальной

Сетевое напряжение после выпрямления диодным мостом VD1-VD4 через резистивный делитель R1R2 поступает на вход встроенного 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Конденсатор C2 сглаживает выпрямленное напряжение а C1 подавляет помехи, проникающие из сети.

В устройстве можно установить нижний предел напряжения в интервале 150-218В и верхний - в интервале 222-255В, а также продолжительность задержки (0-255с) подключения нагрузки к сети после того как сетевое напряжение вернется в норму. В ходе работы микроконтроллер непрерывно измеряет средневыпрямленное напряжение сети и сравнивает результат с заранее установленными предельными значениями. Если он не выходит за пределы, на линии порта RB5 (вывод 1) микроконтроллера DD1 будет установлен низкий уровень поэтому транзистор VT1 закроется, обмотка реле K1 будет обесточена и его контакты отключат нагрузку от сети.

Для вывода информации использован трехразрядный светодиодный индикатор HG1 с общим катодом и применена динамическая индикация. Управляющий сигнал на элемент f индикатора HG1 и один из его катодов формируется непосредственно линиями порта PB0 микроконтроллера DD1, а на остальные элементы и катоды индикатора - с помощью сдвигового регистра DD2. Это обусловлено тем, что число линий портов микроконтроллера ограничено. Поэтому при отображении информации в младших разрядах (выводы 8 и 9 индикатора HG1) на линии порта PB0 присутствует высокий уровень, если необходимо «засветить» элемент f , или установлено Z-состояние, если нужно его «погасить». Когда отображается информация в старшем разряде, на линии порта PB0 присутствует низкий уровень. В этом случае элемент f в старшем разряде всегда «погашен», но для отображения цифр 1, 2 и 3, а также дополнительных символов u, d он не нужен.

Узел питания микросхем и реле собран на понижающем трансформаторе T1, диодном мостовом выпрямителе VD5-VD8, сглаживающем конденсаторе C3 и интегральном стабилизаторе напряжения DA1. Стабилизированное напряжение используется так же, как образцовое для аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер DD1.

3 Выбор и описание конструкции изделия

3.1 Выбор элементной базы

Большинство деталей монтируют на макетной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23. Причем резистор R1 составлен из двух соединенных последовательно резисторов по 110 кОм мощностью 0,25 Вт, подстроечный резистор R2 - многооборотный СП5-2ВБ, оксидные конденсаторы - К50-35, остальные - К10-17. Микроконтроллер ATtiny13V.

Кнопки - DTST-6 с длинными толкателями. Реле - TRL-12VDC-P1C с номинальным рабочим напряжением 12 В и током не более 100 мА, рассчитанное на коммутацию сетевого напряжения. Предварительно следует убедиться, что реле будет уверенно срабатывать при изменении сетевого напряжения в установленных пользователем допустимых пределах.

Трансформатор должен обеспечивать на выходе выпрямителя напряжение 12 В при токе до 100 мА и минимальном сетевом напряжении, кроме того, иметь запас по входному напряжению. Возможно например использование двух трансформаторов на 220 В, первичные и вторичные обмотки которых соединяют (с соблюдением фазировки) последовательно.

Резисторы, изготавливаемые промышленностью, имеют сопротивление от сотых долей ома до сотен гигаом. Номинальное сопротивление необходимо выбирать из ряда чисел, который установлен соответствующим государственным стандартом.

Применяемые резисторы имеют допустимую мощность рассеяния от десятых долей до десятков ватт. Это мощность, при рассеянии которой резистор может длительно работать, сохраняя параметры в заранее установленных пределах.

Допустимые условия эксплуатации на резисторы типа С2-33 и С2-10 следующие :

- при вибрациях ускорение 15g,

- при ударных нагрузках ускорение 500g,

- при линейных нагрузках ускорение 200g,

- влажность воздуха при температуре +40°С - 98%,

- температура окружающей среды от -60°С до +125°С.

Сопоставляя допустимые эксплуатационные характеристики резисторов, приходим к выводу, что резисторы с мощностью рассеяния 0,125 Вт; 0,25 Вт; 0,5 Вт; 1Вт удовлетворяют требуемым условиям эксплуатации и могут использоваться в данной аппаратуре.

Подстроечные резисторы должны быть выполнены так, чтобы при механических воздействиях, которые могут возникнуть при эксплуатации и транспортировке самого изделия, ось не проворачивалась самопроизвольно. Для этой цели некоторые типы резисторов комплектуют специальными стопорящими устройствами, либо возможно применение красок и клея.

Для выбора конденсаторов необходимо проанализировать условия работы конденсаторов (напряжение в схеме, температуру и влажность окружающей среды), а также требования предъявляемые к его параметру. Конденсатор следует подобрать так, чтобы фактическое напряжение на нём и температура окружающей среды были меньше предельных значений, установленных техническими условиями. Анализируя параметры конденсаторов, подбираем такие, характеристики которых максимально удовлетворяют приведённым требованиям.

Допустимые условия эксплуатации на конденсаторы следующие :

- вибрации при частоте от 1 до 3000 Гц с ускорением 40g,

- при ударных нагрузках ускорение 1000g,

- атмосферное давление от 1 до 3 атм,

- влажность воздуха при температуре +25°С - 98%,

- температура окружающей среды от -60°С до +85°С.

Выбор необходимых полупроводниковых приборов осуществляется на основании анализа схемы электрической принципиальной генератора сигналов цветности. Будем делать выбор с учётом рассеиваемых мощностей, протекающих токов, а также на основании условий эксплуатации приведённых ниже:

- при вибрациях ускорение 20g,

- при ударных нагрузках ускорение 150g,

- при линейных нагрузках ускорение 200g,

- атмосферное давление до 3 атм,

- влажность воздуха при температуре до 98%,

- температура окружающей среды от -60°С до +100°С.

Допустимые условия эксплуатации на транзисторы:

1. при вибрациях ускорение 10g,

2. при ударных нагрузках ускорение 100g,

3. при линейных нагрузках ускорение 150g,

4. влажность воздуха при температуре до 98%,

5. температура окружающей среды от -60°С до +125°С.

3.2 Обоснование выбора материалов и покрытий

Правильный выбор материала деталей - задача сложная и должна решаться на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей и с учетом следующих факторов:

1) материал является основой конструкции и определяется способностью детали выполнять рабочие функции и противостоять действию климатических и механических факторов;

2) материал определяет технологические характеристики детали;

3) от свойств материалов зависит точность изготовления деталей и элементов конструкции;

4) материал определяет габариты и массу прибора;

5) материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность.

Например, при выборе материала печатной платы необходимо, чтобы материал имел высокие электроизоляционные показатели в заданных условиях эксплуатации (большую электрическую прочность, большое сопротивление изоляции, малые диэлектрические потери); обладал химической стойкостью к действию химических растворов, используемых в технологии печатного монтажа; допускал штамповку, сверление; выдерживал температуру +240 °C в процессе пайки; имел высокую влагостойкость. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) должен быть близок к ТКЛР фольги во избежание обрывов узких линий рисунка при температурных перепадах. Плата большого размера сложна в изготовлении и более чувствительна к короблению, поэтому ГОСТ 10317-72 ограничивает размеры платы.

Слоистые пластинки с бумажным наполнителем приме-няют в тех случаях, когда основания должны быть дешевыми и обладать штампуемостью, но не требуется высокая влагостойкость. Таким материалом является гетинакс.

Удовлетворительные свойства фольгированного гетинак-са наблюдаются только в легких условиях эксплуатации, например, в бытовой РЭА. Он обладает химической стойкостью к травильным растворам, низкой теплостойкостью, большим ТКЛР основания.

Материал со стекловолокном - стеклотекстолит используют при изготовлении оснований, обладающих повышенной влагостойкостью. Стеклотекстолит теплостоек, химически инертен, не смачивается, механически прочен. Но он хуже обрабатывается, при сверлении отверстий выделяется стеклянная пыль, которая токсична. Фольгированный стеклотекстолит марки СФ (СФ-I-35, СФ-2-35) рекомендуется для изготовления печатных плат, эксплуатируемых при температуре до +120 °C. Более высокими физико-механическими свойствами и теплостойкостью обладает стеклотекстолит марок СФПН-I-50 и СФПН-2-50.

Для МПП и ТПП применяют теплостойкий диэлектрик марок СТФ-I, СТФ-2 и стеклотекстолит марок ФТС-I и ФТС-2. Диэлектрик СТЭФ-I-2ЛК нефольгированный, в процессе изготовления его металлизируют.

Многие материалы в определенных условиях эксплуатации подвергаются разрушению. Для защиты или придания деталям определенных свойств их поверхность покрывают материалами, более стойкими к воздействию разрешающих факторов. По назначению покрытия делятся на защитные, защитно-декоративные и специальные. В зависимости от материала, наносимого на поверхность детали, покрытия делятся на две основные группы:

- покрытия металлические и неметаллические (неорганические), наносимые на неметаллические поверхности;

- покрытия лакокрасочные, наносимые на любые поверхности.

В зависимости от назначения детали и условий ее эксплуатации необходимо выбрать конкретный вид покрытия и дать основные характеристики покрытия. Например, для металлических покрытий определить металл покрытия, способ нанесения, толщину покрытия, число слоев и т.д.

Произведём выбор материалов конструкции. Исходя из условий эксплуатации и технологических показателей, а также с учётом минимизации массы и габаритов прибора необходимо изготовить корпус из лёгкого материала и по возможности с большей теплопроводностью и легко поддающегося обработке. Материалом, отвечающим этим требованиям, является алюминий, его использование даёт сокращение массы прибора в 1,5-3 раза по сравнению с другими материалами. При этом прибор будет полностью удовлетворять требованиям к жёсткости и прочности. Корпус изготовим из листового алюминия путём штамповки.

Для изготовления печатной платы необходимо выбрать материалы с учётом эксплуатационных характеристик изделия. Поскольку, стеклотекстолит по сравнению с гетинаксом обеспечивает возможность создания печатных плат с меньшими расстояниями между элементами рисунка примерно на 0,1 мм, а также более высокую электрическую прочность изоляции, то для изготовления печатной платы следует выбрать стеклотекстолит.

4 Разработка компоновки блока и выбор способа монтажа

Плату устанавливают в корпус из изоляционного материала в котором сверлят отверстия для толкателей кнопок, индикатора и гнезда для подключения нагрузки. Монтаж платы производится вручную с помощью болтов. Этот способ монтажа будет более рационален для данного устройства. Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей, электрорадиоэлементов и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров. В зависимости от уровней модульности различают несколько уровней компоновки аппаратуры: микросхем и электрорадиоэлементов на плате, ячеек в блоке и т.д. Процесс компоновки завершается получением компоно-вочного эскиза.

Конструктор должен искать такие компоновочные решения, которые удовлетворяют следующим требованиям:

- между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические и магнитные взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

- взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

- расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

- изделие должно удовлетворять требованиям техниче-ской эстетики;

- габариты и масса должны быть минимальными.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требо-ваниям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимального решения.

Высокая сложность разрабатываемой в настоящее время РЭА, построенной с применением различного типа микросхем, микросборок и других современных электрорадиоэлементов, вызвала необходимость поиска таких конструктивных и компоновочных решений, которые позволили бы удовлетворять следующим требованиям:

- высокой степени микроминиатюризации аппаратуры в целом;

- широкой унификации элементов конструкции;

- возможности параллельной сборки и регулировки со-ставных частей РЭА;

- обеспечения высокой эксплуатационной надежности аппаратуры многоразового действия за счет быстрой замены вышедших из строя составных частей;

- возможности проведения модернизации отдельных составных частей при сохранении неизменными других.

Основной задачей при этом является реализация схемы изделия в виде набора отдельных конструктивно законченных модулей, узлов или блоков, связанных друг с другом цепями электрической коммутации. Важным этапом при этом является разбиение электрической принципиальной схемы изделия на подсхемы (функциональное разбиение).

После функционального разбиения электрической принципиальной схемы изделия необходимо провести анализ существующих конструкций и рассмотреть сравнительные технические характеристики аналогичных конструктивных решений устройства с учетом требований миниатюризации, надежности, качества. При этом следует учитывать особенности проектирования конструкции РЭА в зависимости от функционального назначения, условий эксплуатации, размещения и свойств объекта-носителя.

Одной из важнейших задач, решаемой на этапе предварительной компоновки изделия, является выбор типа внутриблочного электрического монтажа. Его тип определяется используемой элементной базой, рабочим диапазоном частот, условиями эксплуатации и вариантом конструкции модуля. В РЭА используются два способа монтажа:

- объемный (жгуты, провода, кабели);

- плоский (печатный монтаж).

На конструкцию объемного электромонтажа решающее влияние оказывает частотный диапазон работы устройства. В устройствах, работающих на средних и низких частотах (до 1 МГц), монтаж выполняется объемным гибким проводом либо плоским кабелем. Их выбор зависит от силы тока, напряжения, частоты и условий эксплуатации. В блоках, работающих на высоких частотах (от 1 до 300 МГц), ощутимым становится влияние паразитной емкости и индуктивности элементов электромонтажа. При этом отдельные участки электромонтажа становятся источниками или приемниками радиопомех. С целью устранения паразит-ных связей между узлами применяют электромагнитные экраны, а электромонтаж выполняют экранированным или коаксиальным кабелем.

В блоках СВЧ (свыше 300 МГц) для электрического монтажа используют коаксиальные линии связи или волноводы.

Для реализации внутримодульного электромонтажа применяют печатный монтаж.

В процессе конструирования печатных плат определяются конфигурация и габаритные размеры печатных плат, радиальное взаимное расположение навесных элементов на печатных платах, осуществляется трассировка соединений. Определение конфигурации и габаритных размеров печатных плат необходимо осуществлять с учетом габаритных размеров разрабатываемого изделия, сложности электрической схемы, применяемых элементов, эксплуатационных требований, предъявляемых к изделию.

Конструирование печатных плат осуществляется следующими методами:

- ручным;

- полуавтоматизированным;

- автоматизированным.

При ручном методе конструирования размещение навесных элементов и разработка проводящего рисунка осуществляются вручную.

Полуавтоматизированный метод конструирования может включать размещение навесных элементов с помощью ЭВМ и разработку проводящего рисунка печатной платы ручным методом, или размещение навесных элементов ручным методом и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ.

Автоматизированный метод предполагает размещение навесных компонентов и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ. Для этих целей используется система автоматизированного проектирования P-CAD, программы схемотехнического моделирования P-Spice и пакета машинной графики AutoCAD.

Наряду с традиционными технологиями монтажа в современной РЭА применяются и новые направления сборки, наиболее перспективным из которых является метод поверхностного монтажа (ПМ). Можно отметить два основных отличия технологии ПМ от традиционной технологии: поверхностно-монтируе-мые компоненты имеют меньшие размеры и монтируются не в отверстия, а на поверхность печатной платы. Таким образом, первая и наиболее важная проблема - это компоненты, монтируемые на поверхность.

Следующая важная проблема технологии ПМ - обеспечение надежности пайки. При пайке компонентов в отверстия обеспечивается жесткое механическое соединение прежде всего за счет его конструкции. В технологии ПМ требуемая прочность соединения должна гарантироваться припоем.

Все многообразие компонентов и корпусов ПМ, выпускаемых в настоящее время зарубежными и отечественными фирмами, можно разделить на три вида:

- простые корпуса для пассивных компонентов:

а) безвыводные корпуса прямоугольной формы, на-пример резисторов и конденсаторов;

б) корпуса типа MELF с вмонтированными электродами в виде металлизированных торцов;

- сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

а) малогабаритный транзисторный корпус (SOT);

б) малогабаритный корпус (SO) для интегральных схем;

в) увеличенный малогабаритный корпус (SOL) для инте-гральных схем;

г) плоский квадратный пластмассовый корпус (QFR);

д) пластмассовые кристаллоносители с выводами (PLCC);

е) безвыводные керамические кристаллоносители (LCCC);

ж) керамические кристаллоносители с выводами (LDCC);

з) корпуса с матрицей шариковых выводов (CBGA, CCGA, PBGA, TBGA);

- различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы, например: индуктивностей и переключателей.

Корпуса для ПМ (в частности, транзисторные и для ИМС) относятся к XIV группе. Общие требования применительно к изделиям XIV группы для ПМ указаны в ГОСТ 20.39.405-84, согласно которому к таким корпусам предъявляются жесткие требования по паяемости.

На этапе компоновки определяется форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплутационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность.

Необходимо найти такие компоновочные решения, которые удовлетворяют следующим требованиям:

а) между отдельными деталями, узлами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия: тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

в) расположения и конструкция органов должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

г) изделие должно удовлетворять требованиям технической эстетики;

д) габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов.

Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа - среднее количество элементов, умещающееся в единице объема.

Удовлетворение всех требований одновременно в большинстве случаев не возможно. Следовательно, процесс компоновки сводится к нахождению оптимальных решений.

Несущей конструкцией электронного прибора является элемент или совокупность элементов конструкции, предназначенная для размещения составных частей аппаратуры и обеспечения их устойчивости к воздействиям в заданных условиях эксплуатации. Несущие конструкции обеспечивают:

- возможность конструировать аппаратуру с использованием модульного принципа;

- высокий уровень миниатюризации аппаратуры, высокую надежность, технологичность конструкции;

- нормальный тепловой режим аппаратуры;

- при необходимости защиту аппаратуры от воздействия вибрации и ударов, от действия воздуха с повышенной влажностью и от изменения давления окружающей среды, от действия проникающей радиации;

- электромагнитное экранирование аппаратуры;

- безопасные условия для обслуживающего персонала и высокие эргономические характеристики.

Существует ряд видов компоновки, каждая из которой имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широко используемыми являются аналитическая, модельная, аппликационная и графические компоновки. Компоновочный расчет будем проводить по аналитической компоновке. Аналитическую компоновку производят на начальных этапах проектирования аппаратуры с целью получения обобщенных характеристик, на основании которых складывается первое представление о некоторых конструктивных параметрах изделия.

5 Конструкторские расчеты

5.1 Компоновочный расчет

В компоновочном расчете мы рассчитываем размер печатной платы и исходя их этого подбираем корпус устройства. Для этого расчета мы берем площадь каждого элемента (Sпл, мм) и умножаем на количество элементов (n), и получаем площадь которую занимают элементы данного типа (?Si, мм). Потом суммируем площади всех элементов и получаем общую площадь которую занимают все элементы. Чтобы узнать размер печатной платы - площадь всех элементов умножаем на коэффициент площади

Таблица 5.1 - Данные компоновочного расчета

	Sпл, мм	n	?Si, мм
C1, C4, C5	31,28	3	93,84
C2, C3, C6	25	3	75
DA1	49,5496	1	49,5496
DD1	30.876	1	30.876
DD2	54,25	1	54,25
FU1	104	1	104
HG1	315	1	315
K1	602	1	602
R1, R3-R14	13,8	13	179,4
R2	206,05	1	206,05
SB1-SB3	55,8	3	167,4
T1	893,75	1	893,75
VD1-VD9	24,288	9	218,592
VT1	33,64	1	33,64

Площадь всех элементов:

Площадь печатной платы:

Размер платы 75х80мм

Высота самого высокого элемента 30мм

Объем корпуса V=80*85*30=204000мм3

5.2 Расчет надежности

Существующие методы расчета показателей надежности РЭУ различаются степенью точности учета электрического режима и условий эксплуатации элементов.

При ориентировочном расчете этот учет выполняется приближенно, с помощью обобщенных эксплуатационных коэффициентов. Значения этих коэффициентов зависят от вида РЭУ и условий их эксплуатации.

Ориентировочный расчет выполняется на начальных стадиях проектирования РЭУ, когда еще не выбраны типы и эксплуатационные характеристики элементов, не спроектирована конструкция и, естественно, отсутствуют результаты конструкторских расчетов .

Исходными данными при ориентировочном расчете надежности являются: электрическая схема РЭУ (принципиальная, а для цифровых РЭУ в ряде случаев функциональная), заданное время работы , условия эксплуатации или вид РЭУ.

Ориентировочный расчет выполняют для периода нормальной эксплуатации РЭУ, т.е. для периода, когда общая интенсивность отказа устройства примерно постоянна во времени. Исходными данными при ориентировочном расчете надежности являются: электрическая схема РЭУ (принципиальная, а для цифровых РЭУ в ряде случаев функциональная), заданное время работы , условия эксплуатации или вид РЭУ. В этом случае для определения интенсивности отказов РЭУ пользуются значениями интенсивностей отказов элементов. Общая интенсивность отказов РЭУ определяется путем простого суммирования последних.

Таблица 5.2 - Данные расчета надежности

№гр.	Наименование элемента	?10*10-6	Количество	Кн	Кэ	? ?10*10-6
1	Конденсаторы	0,05	6	0,7	2	0,42
2	Микросхема аналоговая	0,028	1	0,8	2	0,0448
3	Микросхемы цифровые	0,02	3	0,6	2	0,072
4	Предохранитель	5,0	1	0,8	2	8
5	Реле	0,6	1	0,7	2	0,84
6	Резисторы постоянные	0,4	13	0,8	2	8,32
7	Резистор подстроечный	1,1	1	0,6	2	1,32
8	Кнопки	0,4	3	0,7	2	1,68
9	Трансформатор	0,9	1	0,8	2	1,44
10	Диоды выпрямительные	0,5	9	0,6	2	5,4
11	Транзистор биполярный	0,45	1	0,8	2	0,72
12	Разъемы	0,5	2	0,8	2	1,6
13	Пайки	0,04	108	0,7	2	6,048
14	Печатная плата	0,2	1	0,6	2	0,24

Суммарная интенсивность отказов элементов РЭУ:

Наработка на отказ:

Вероятность безотказной работы:

5.3 Тепловой расчет

В связи с широким использованием в РЭА транзисторов, тиристоров, больших ИС на этапе проектирования должна решаться проблема отвода тепла. Для отвода тепла могут применяться следующие методы:

- естественное охлаждение (воздушное, жидкостное);

- принудительное воздушное охлаждение;

- принудительное жидкостное;

- охлаждение, основанное на изменении агрегатного со-стояния вещества;

- термоэлектрическое охлаждение.

Основным критерием выбора метода охлаждения является значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена. Вторым критерием выбора метода охлаждения является допустимый перегрев элемента, равный разности между допустимой температурой корпуса элемента и температурой окружающей среды. Такое аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников тепла, теплофизических свойств материала и т.д. Поэтому при расчете теплового режима используются приближенные методы анализа и расчета.

В пособии приводятся различные варианты теплового расчета конструкций РЭУ. Выбор варианта расчета определяется задачами проектирования.

Мощность устройства

Размеры корпуса

Поверхность корпуса блока:

Условная поверхность нагретой зоны:

Условная мощность корпуса блока:

Удельная мощность нагретой зоны:

Расчет коэффициента в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

Расчет коэффициента в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

Расчет коэффициента в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

Расчет коэффициента в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

Перегрев корпуса блока:

Перегрев нагретой зоны:

Средний перегрев воздуха в блоке:

Температура воздуха в блоке:

Температура корпуса:

Температура нагретой зоны:

Суммарная площадь перфорированных отверстий:

Коэффициент перфорации:

Функция коэффициента перфорации:

Перегрев корпуса:

Перегрев нагретой зоны:

Средний перегрев воздуха в корпусе:

Удельная мощность элемента:

Перегрев поверхности элемента:

Перегрев среды, окружающей элемент:

Температура нагретой зоны:

Температура воздуха в блоке:

Температура поверхности блока:

Температура среды, окружающей элемент:

5.4 Расчет устойчивости конструкции к механическим воздействиям

Наиболее распространенными видами механических воздействий являются вибрация и удары. Существуют три основных способа виброзащиты аппаратуры: увеличение жесткости конструкции; демпфирование и использование виброизоляторов.

Для того чтобы конструкция была механически прочной, частота собственных колебаний конструкции (f0) должна быть больше, чем частота воздействующих колебаний (f), которая определяется техническим заданием в зависимости от условий эксплуатации.

6 Защита устройства от дестабилизирующих факторов

В зависимости от места размещения РЭА и условий эксплуатации на устройство будут воздействовать различные дестабилизирующие факторы. Нормальными климатическими условиями являются:

- температура, t 25…10 °C;

- относительная влажность 45…80 %;

- атмосферное давление, Н 836…106 кПа.

Кроме климатических факторов на РЭА воздействуют механические нагрузки, электромагнитные помехи и паразитные наводки.

На этапе проектирования необходимо решить основные вопросы, связанные с защитой от дестабилизирующих факторов:

- необходимость герметизации корпуса;

- защита РЭА от ионизирующего излучения (если оно существует);

- выбор способа защиты от механических воздействий;

- выбор способа защиты от электромагнитных помех и паразитных наводок;

- выбор способа обеспечения нормального теплового режима.

Герметизация - это наиболее радикальный способ защиты элементов РЭА от влаги, пыли, песка, плесневых грибков. Различают индивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию.

Для частичной герметизации РЭА применяют пропитку, обволакивание, заливку лаками, пластмассами или компаундами на органической основе. Полная герметизация достигается при использовании корпуса специальной конструкции из металлов, стекла и керамики с высокой степенью непроницаемости. Герметичный корпус заполняется сухим воздухом или инертным газом при атмосферном или повышенном давлении не более 120 кПа. Полная герметизация может осуществляться с помощью разъемного соединения через вакуумную резинку.

В условиях воздействия ионизирующего излучения на РЭА функцию защиты от радиации выполняет корпус. Наиболее устойчивыми к воздействию радиации являются металлы. У большинства металлов при этом возрастает предел текучести в 2 - 3 раза, снижается ударная вязкость на 10 - 30 %, повышается удельное сопротивление. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется магнитная проницаемость. Защитный экран может быть выполнен из металлов с высоким кулоновским барьером, например свинца. При этом значительно возрастают масса и габариты изделия.

В процессе эксплуатации РЭА подвергается воздействию внешних механических нагрузок: вибраций, ударов и линейных ускорений. По степени защищенности РЭА от этих воздействий различают два понятия «устойчивость» и «прочность».

Устойчивость - свойство объекта при механическом воздействии выполнять заданные функции и сохранять значения параметров в пределах нормы.

Прочность - свойство объекта выполнять заданные функции после прекращения механических воздействий.

Все способы защиты от механических воздействий можно разделить на три группы:

- смещение спектра частот собственных колебаний в более высокочастотную область. Как следует из соотношения

увеличить значение частоты собственных колебаний f0 можно, уменьшив массу блока m или увеличив жесткость конструкции k. Масса блока определяется главным образом элементной базой, которая косвенным образом дает габариты и массу несущих конструкций. Достичь существенного снижения массы достаточно сложно. Наиболее часто используются методы повышения жесткости конструкций за счет изменения способов крепления и площади печатных плат, а также применения ребер жесткости. Эти методы эффективны в том случае, если диапазон частот вибраций не превышает 400…500 Гц;

- повышение демпфирующих свойств конструкции, т.е. увеличение рассеяния энергии колебаний вследствие трения элементов конструкции и «внутреннего трения» в материалах.

Улучшение демпфирующих свойств конструкции достигается включением в конструкцию плат специальных демпфирующих покрытий из вибропоглощающих материалов (см. таблицу 3.17).

- смещение частоты собственных колебаний конструкции в область ниже частоты вынужденных колебаний с помощью виброизоляции.

Основным способом виброизоляции РЭА является установка ее на амортизаторы. Амортизаторы подразделяются на низко-, средне- и высокочастотные. Низкочастотные амортизаторы виброизолируют частоты в диапазоне 5…600 Гц, среднечастотные - в диапазоне 15…600 Гц и высокочастотные - в диапазоне 35…2000 Гц.

На этапе предварительной компоновки в случае необходимости следует произвести выбор типа амортизатора и схемы их размещения и выполнить расчет виброустойчивости конструкции, который приведен в пункте 3.6.5 «Оценка устойчивости конструкций к механическим воздействиям».

В процессе конструирования РЭА необходимо решать вопросы защиты от электромагнитных, электрических и магнитных помех. Источники помех могут находиться внутри и вне РЭА. Внешние помехи возникают из-за нестабильности напряжения сети электропитания, работы радиопередающих устройств и т.д. Внутренние помехи появляются из-за наличия паразитных связей, не предусмотренных конструкцией, и помех рассогласования параметров линии передачи сигнала с входными-выходными цепями электронных схем.

Источниками электрических помех являются блоки питания, шины питания. Источниками механических помех являются трансформаторы и дроссели.

Для защиты РЭА от воздействия помех необходимо:

- размещая элементы схемы, тщательно продумывать расположение монтажных проводов (уменьшать петли связи, увеличивать расстояние между проводниками, уменьшать длины совместного прохождения проводников и т.д.);

- устранять помехи по линиям электропитания с помощью радиочастотных фильтров;

- экранировать элементы РЭА.

Экраны локализируют электрическое поле в замкнутом объеме и обычно выполняются в виде параллелепипеда, цилиндра или сферы. Конструктивная форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие характеристики. Решающее значение имеют:

- материал, из которого изготовлен экран;

- толщина стенки экрана;

- размер экрана.

Методика расчета эффективности экранирования изложена в пункте 3.6.2 «Расчет электромагнитной совместимости».

В конструкциях экранов необходимо предусматривать отверстия, например: для доступа к регулируемым элементам экранируемых устройств, для введения проводов, для обеспечения теплового режима и т.д. Для всех видов электрических экранов очень важно хорошее заземление, характеризующееся малым сопротивлением заземляющего провода.

Важнейшим фактором, определяющим эксплуатационную надежность РЭА, является тепловой режим.

Основная задача обеспечения нормального теплового режима заключается в создании таких условий, при которых количество тепла, рассеянного в окружающую среду, будет зависеть от мощности тепловыделения блока. Наиболее простым и дешевым способом является естественное воздушное охлаждение. Различают две системы естественного охлаждения: первая - для блоков в герметичных корпусах, вторая - для блоков в перфорированных корпусах.

При разработке систем охлаждения необходимо:

- обеспечивать эффективную циркуляцию воздуха между нагревающимися элементами;

- сильно нагревающиеся элементы снабжать ребрами охлаждения;

- элементы, наиболее чувствительные к перегреву, изолировать экранами от непосредственного воздействия теплового потока;

- обеспечивать надежный тепловой контакт между источниками теплоты и поверхностями охлаждения.

Принудительное воздушное охлаждение применяется при удельной мощности рассеивания до 1 Вт/см2.

Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения:

- внутреннее перемешивание;

- наружный обдув;

- продувку.

Заключение

В данном курсовом проекте было рассмотрено устройство для защиты радиоэлектронной аппаратуры от аварийного напряжения. Были проведены расчеты позволяющие оптимизировать разработку печатной платы и корпуса для данной схемы. Были рассмотрены требования к надежности и устойчивости устройства и проанализирована принципиальная схема. Исходя из этого была выбрана оптимальная элементная база, подходящая для использования при поставленных условиях, и разработана печатная плата и корпус устройства, которые наиболее рационально будет использовать. Так же была описана защита от дестабилизирующих факторов, которые, могут влиять на работоспособность и срок эксплуатации устройства. В результате курсового проекта были подготовлены чертежи схемы принципиальной, сборочный чертеж, перечень элементов, спецификация и прочая необходимая документация.

Стоит еще раз отметить актуальность данного устройства, так как оно позволяет защитить аппаратуру от аварийного напряжения, которое, может возникнуть в сети непредвиденно и вывести из строя подключенную к ней аппаратуру. Это устройство незаменимо и имеет мало аналогов.

Литература

1. Гелль П.П. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры / П.П. Гелль, Н.К. Иванов-Еси-пович. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.

2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массобмен в радиоэлектронной аппаратуре / Г.Н. Дульнев. - М.: Высш. шк., 1984.

3. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры: справочное пособие / П.И. Овсищер, И.И. Лившиц, А.К. Овчинский и др.; под ред. Б.Ф. Высоцкого. - М.: Радио и связь, 1982.

4. Конденсаторы: справочник / под ред. И.И. Четверткова. - М.: Радио и связь, 1993.

5. Куземин А.Я. Конструирование и микроминиатюризация электронной вычислительной аппаратуры / А.Я. Куземин. - М.: Радио и связь, 1985.

Размещено на Allbest.ur

...