Разработка блока питания двухполярного с защитой от короткого замыкания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

При проведении экспериментов, макетирования различных узлов радиоустройств у радиолюбителей нередко возникает потребность в источниках питания и самые различные напряжения и токи. Вот почему лабораторный блок питания в домашней мастерской, должен быть в определенной мере универсальным: иметь широкие пределы регулирования выходного напряжения, обеспечивать достаточно большой ток нагрузки. Разумеется, в нем должно быть предусмотрена и защита от коротких замыканий цепи нагрузки. Кроме того, в настоящее время радиоустройства часто питают от двух источников с общим «заземленным» выводом (двухполярное питание), при чем порой требуется синхронно изменять напряжение обеих источников. Всем этим требованиям удовлетворяет прибор «Блок питания двухполярный с защитой от короткого замыкания».

В блоке питания имеется устройство ограничения выходного тока с пятью пределами - 5, 20, 100, 500 и 1000 мА. Данный блок может быть использован при макетировании и налаживании практически любых устройств средней мощности.

Промышленность выпускает большое количество первоклассных блоков питания для обеспечения растущих потребностей радиолюбителей. В этих приборах широко применяются полупроводниковые приборы микросхемы и интегральные схемы, новые принципы конструирования. На этой базе интенсивно обновляется парк радиоизмерительной аппаратуры общего применения.

Целью данного дипломного проекта конструкторского типа является разработка конструкции функционально-законченного устройства - блока питания двухполярного с защитой от короткого замыкания, предназначенного для использования в домашней мастерской, может использоваться данное устройство при макетировании и налаживании практически любых устройств средней мощности. Большинство любительских разработок не имеет широкой регулировки напряжения и тока стабилизации синхронно двух каналов и «быстрой» защиты от короткого замыкания. В ходе дипломного проектирования конструкторского вида решаются следующие задачи:

- проводится анализ требований технического задания с точки зрения конструктора радиоэлектронной аппаратуры;

- анализируется схема электрическая принципиальная и обосновывается конструктивное исполнение устройства;

- выбираются и обосновываются комплектующие элементы и материалы конструкции проектируемого изделия;

- разрабатывается и обосновывается компоновка устройства;

- обосновываются способы защиты проектируемого изделия от воздействия дестабилизирующих факторов;

- проводятся конструкторские расчеты (некоторые с применением электронно-вычислительных машин);

- обосновывается технологический процесс сборки платы печатной;

- разрабатывается экономическая сторона производства проектируемого изделия;

- проводятся рекомендации по обеспечению безопасных условий труда;

- разрабатывается психолого-педагогическое задание.

1. Анализ исходных данных на проектирование и разработку технологического задания на конструирование блока питания с защитой от короткого замыкания

1.1 Назначение изделия и технические возможности

Разрабатываемый блока питания имеет устройство ограничения выходного тока с пятью пределами - 5, 20, 100, 500, 1000 мА. Блок питания позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение от 0 до 40 В двух полярностей с общим выходом.

Отличительной чертой данного прибора является наличие выхода нестабилизированного выхода + 45 В, что позволяет запитывать при регулировании оконечные каскады низкочастотных усилителей.

Технические характеристики блока:

- выходное напряжение каждого плеча, В……0..40

- максимальный ток нагрузки, А…………1

- выходные сопротивления на постоянном токе, мОм, не более…….1,5

- максимальное значение полного выходного сопротивления в интервале частоты, 40000 Гц, мОм……………..5

- амплитуда пульсаций выходного напряжения, мВ……...0,15

- коэффициент стабилизации………...2500

- время срабатывания защитного устройства мкс, не более…….40

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействиям

Согласно техническому заданию на дипломное проектирование условия эксплуатации разрабатываемой конструкции блока питания соответствуют легким условиям (группа I). Климатическое исполнение УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69:

- значение температуры воздуха от +10 до +35 0С;

- относительная влажность воздуха от 45 до 80% при 30 0С и боле низких температурах без конденсации влаги, среднемесячное значение влажности равно 65% при 20 0С в течение года;

- атмосферное давление от 8,36·104 до 10,6·104 Па или от 630 до 800 мм.рт.ст.

1.3 Требования к конструкции

Требования к конструкции разрабатываемого прибора вытекают из его функционального назначения и условий его эксплуатации. Конструкция прибора должны обеспечивать ремонтопригодность, удобство в эксплуатации, иметь, по возможности, малые габаритны и вес, высокие надежность в работе и эргономические характеристики. Эстетические требования должны соответствовать ГОСТ 23852-79. Конструкция прибора должна отвечать требованиям к технологичности по ГОСТ 18831-73 и ГОСТ 14205-83.

1.4 Требования к надежности

Наработка на отказ прибора должна составлять не менее 15000 часов по ГОСТ 21317-84.

1.5 Требования к типу производства

Заданная программа выпуска соответствует значению 10000 штук в год, что указывает на мелкосерийный тип производства.

1.6 Требования к электробезопасности

Требования к электробезопасности должны соответствовать ГОСТ 12.2.006-83.

1.7 Технологическое задание на конструирование блока питания

На начальной стадии конструирования необходимо проанализировать конструкцию на технологичность и разработать предложения по повышению технологичности. Затем следует приступить к разработке технологической схемы сборки печатной платы. Далее необходимо разработать варианты технологического процесса сборки печатной платы и выбрать соответствующее оборудование. В заключении требуется разработать операционную технологию.

Исходя из назначения устройства, условий его эксплуатации и принадлежности к аппаратуре группы I вытекают следующие технологические требования к конструкции: корпус штампованный, металлический, перфорированный, виброизоляторы резиновые.

2. Анализ электрической схемы и обоснование конструктивного исполнения двухполярного блока питания с защитой от кроткого замыкания

2.1 Анализ электрической схемы

Управляющие узлы стабилизаторов выполнены на операционных усилителях DА1, DА2 по схеме алгебраических сумматоров. Использованное схемное построение обеспечивает прямо пропорциональную зависимость выходного напряжения от сопротивления резисторов R36, R37, начиная с левого выходного напряжения (в отличии от стабилизатора по распределенной схеме с подачей сравниваемых напряжений на разноименные входы ОУ). Кроме того, в таком стабилизаторе на входах ОУ не создается синфазных напряжений. Неинвентирующие входы ОУ сумматоров соединены с общим проводом через резисторы R16 и R17.

Сумматоры охвачены частотнозависимой отрицательной обратной связью (через элементы С6R12C7R13, C8R14C9R15), что необходимо для обеспечения устойчивости стабилизатора и необходимо для обеспечения устойчивости и независимого от частоты его выходного сопротивления.

На базы выходных транзисторов регулирующих элементов через резисторы R2, R7 подано положительное относительно эмиттера напряжение, необходимое для надежного закрывания транзисторов при повышенной температуре. Это в свою очередь позволяет получать без срыва стабилизации близкое к нулю напряжение на выходах стабилизаторов даже при отключенной нагрузке.

Оба устройства быстродействующей защиты от перегрузок по тому выполнены на транзисторах VT7 и VT8, конденсаторы С11, С12 шунтируют по переменной составляющей резисторы регуляторов выходного напряжения, тем самым, увеличивая быстродействие стабилизаторов без ухудшения его устойчивости и уменьшая пульсации выходного напряжения.

Большинство деталей двухполярного блока питания с защитой от короткого замыкания смонтированы на печатной плате из фильтрованного стеклотекстолита одностороннего. Переключатели режимов работы, а также ручки управления к переменным резисторам, целесообразно вывести на переднюю панель прибора. Включение блока питания осуществляется нажатием соответствующей клавиши SA1 типа ТП1-2, который также желательно вывести на переднюю панель.

В приборе применены аналоговые микросхемы серии К140, резисторы типа с2-23, переменные резисторы типа СПЗ-19, С3-III, конденсаторы типа КМ-6, К53-4, транзисторы КТ837А, КТ8143, КТ503Д, КТ361Д, КТ601А,сетевой ТС60-2.

Подробные сведения об элементах двухполярного блока питания с защитой от короткого замыкания приведены в приложении А «Перечень элементов».

2.2 Учет влияния на работу двухполярного блока питания с защитой от короткого замыкания человека-оператора и внешней среды

Так как с двухполярным блоком питания с защитой от короткого замыкания будет работать человек-оператор, то необходимо предусмотреть, чтобы конструкция прибора соответствовала как эргономическим, так и эстетическим требованиям.

В настоящее время известны эргономические показатели качества конструкции, а также эстетические средства их реализации. Эргономические показатели конструкции делятся на гигиенические (освещенность, вентилируемость, температура, напряженность электрического и магнитного полей, токсичность, шум, вибрация), антропометрические (соответствие конструкции изделия размерам и форме тела человека и его частей, входящих в контакт с изделием), физиологические и психофизиологические (соответствие конструкции изделия силовым, скоростным, зрительным возможностям человека), психологические (соответствие конструкции изделия возможностям восприятия и переработки информации, закрепленным и вновь формируемым навыкам человека).

Для учета влияния на работу двухполярного блока питания человека-оператора необходимо провести эргономический и эстетический анализы конструкции разрабатываемого двухполярного блока питания.

На этапе эргономического проектирования будущей конструкции двухполярного блока питания необходимо предусмотреть, чтобы расположение самого двухполярного блока питания и органов управления обеспечивали удобное положение человека при работе, рабочая точность находилась на удобной высоте с учетом рабочего положения и расстояния до глаз, органы управления размещались в пределах досягаемости с учетом положения тела оператора при работе; форма, размеры и материал органов управления соответствовали прилагаемому усилию, допустимому с точки зрения физиологии, конструкция обеспечивала удобство обслуживания и ремонта (доступность, степень риска, освещенность и т.д.), освещенность существующая была достаточной для выполнения данной работы, органы управления размещались на оптимальном расстоянии в поле зрения, деления шкал были видны достаточно четко, по положению органов управления можно было быстро определить ситуацию (включено либо выключено), рука при перемещении органа управления не закрывала шкалу индикатора, органы управления размещались в последовательности, соответствующей порядку выполнения операций, физическая и психическая нагрузка при работе соответствовала возможностям различных операторов (мужчин, женщин, молодых и пожилых работников).

Все эти требования были учтены при проектировании передней панели двухполярного блока питания, а также при выборе конструкции корпуса, состоящего из несущей конструкции (шасси), кожуха, передней и задней панелей.

На этапе эстетического проектирования выясняется объемно-пространственная структура и определяется ведущий формообразующий принцип (симметричное, асимметричное, статическое, динамическое решение); определяется логика взаимопереходов и взаимосвязей отдельных объемов и сочинений; определяются главные и второстепенные элементы; оценивается динамика формы; оцениваются информативные свойства формы, с помощью которой человек информируется о функции изделия в целом и его отдельных частей; проверяется тектоничность основных формообразующих элементов; проверяется соответствие формы конструктивным особенностям применяемого материала и характеру его работы; определяется степень согласованности, соразмерности и соподчиненности элементов и целого; проверяется пропорциональность композиции; проверяется ритмический строй изделия по горизонтали и вертикали; определяется масштаб изделия по отношению к предметам окружающей среды и к человеку, выявляются масштабные несоответствия и элементы - указатели масштаба; оценивается поверхность изделия с точки зрения рисующий световых линий (бликов светового каркаса), гармоничность формы светового каркаса; оценивается фактура поверхностей и пользуемые декоративные свойства материалы; оцениваются самостоятельные элементы (крепежные детали, органы управления и т.д.), их одностильность и взаимосогласованность; оцениваются единство деталей и целого, цветовая композиция, единство геометрической формы и цвета, выделение цветом функционально-важных элементов и т.д.

При художественно - конструкторском оформлении проектируемого устройства необходимо учитывать технологические ограничения на формо- и цветообразования, фактуру поверхности (матовая, шероховатая, блестящая, с «рисунком»), параметры применяемых материалов (цветовой тон, защитно-декоративные свойства, технологичность их использования), ограничения по формообразованию, накладываемые технологией (прессование пластмасс, литьевое или вакуумное формирование и т.д.).

Эти требования были также учтены при выборе материалов и покрытий как передней панели, так и всего корпуса (шасси, кожуха, задней панели), при проектировании конструкции корпуса, а также при выборе технологических операций, используемых при изготовлении данного двухполярного блока питания. Конкретные инженерные решения этих вопросов представлены в последующих разделах пояснительной записки.

Двухполярный блок питания подвергается воздействию внешних факторов окружающей среды. Чем являются механические воздействия (вибрация и т.д.), тепловые воздействия (перегрев или переохлаждение), воздействие влаги и т.д. Для защиты от этих факторов внешней среды необходимо предусмотреть следующие конструкторские решения:

- выбирается металлический корпус;

- предусматриваются перфорационные отверстия;

- обязательное наличие виброизоляторов;

- покрытие печатной платы защитным лаком;

- конструкция корпуса выбирается полезащитной;

- корпус подвергается нанесению защитно-декоративных покрытий и т.д.

2.3 Обоснование конструкторского исполнения двухполярного блока питания с защитой от короткого замыкания, выбор вида электрического монтажа

Конструкция корпуса разрабатываемого изделия во многом зависит от условий эксплуатации. Основными критериями при выборе корпуса является:

- класс и назначение прибора;

- условия эксплуатации прибора;

- эстетическое и эргономические требования к прибору.

Разрабатываемый двухполярный блок питания относится к бытовой переносной радиоэлектронной аппаратуре, выполняющей контрольно-измерительные функции и предназначенной для работы в стационарных условиях в помещениях категории УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69. К этой категории относятся закрытые, отапливаемые помещения с искусственно регулируемыми климатическими условиями (лаборатории, капитальные жилые помещения). Значение температуры воздуха составляет от +10 до +350С при относительной влажности воздуха от 45 до 80%, воздух без химических примесей.

Выбор корпуса, т.е. его конструкции, во многом определяет надежную работу изделия в заданных условиях эксплуатации. Вытекающими факторами из вышеуказанных критериев при выборе конструкции корпуса являются:

- обеспечение электромагнитной совместимости;

- обеспечение тепло- и влагозащиты радиоэлементов;

- обеспечение защиты от механических воздействий.

Учитывая вышесказанные особенности, выбираем корпус штампованный. Несущим основанием является штампованное шасси, к которому крепятся плата блока питания, трансформатор. В состав корпуса также входят кожух с перфорированными отверстиями с целью улучшения теплообмена с окружающей средой, передняя и задняя панели, которые крепятся к шасси при помощи винтов.

Для воспроизводимости параметров блока питания и снижения его стоимости большая часть электрических соединений выполнена с использованием печатного монтажа. Внутренний электрический монтаж между узлами прибора выполнен гибким монтажным проводом МГШВ.

Материалы составных частей корпуса блока питания двухполярного с защитой от кроткого замыкания приведены вместе с характеристиками в разделе 3.

Выбранная конструкция корпуса прибора позволяет обеспечить наиболее надежную работу и высокую ремонтопригодность изделия при минимальных его габаритах и энергозатратах.

3. Выбор и обоснование комплектующих элементов и материалов конструкции двухполярного блока питания с защитой от короткого замыкания

Критериями выбора элементной базы в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик электрорадиоэлементов заданным условиям работы и условиям эксплуатации.

Основными параметрами при выборе электрорадиоэлементов являются:

а) технические параметры:

- номинальные значения параметров электрорадиоэлементов согласно принципиальной электрической схеме устройства;

- допустимые отклонения величины электрорадиоэлементов от их номинальных значений;

- допустимые рабочие напряжения электрорадиоэлементов;

- допустимые рассеиваемые мощности электрорадиоэлементов;

- диапазон рабочих частот электрорадиоэлементов;

- коэффициент электрических нагрузок электрорадиоэлементов;

б) эксплуатационные параметры:

- диапазон рабочих температур;

- относительная влажность воздуха;

- давление окружающей среды;

- вибрационные нагрузки;

- другие (специальные) показатели.

Дополнительными критериями при выборе электрорадиоэлементов являются:

- унификация электрорадиоэлементов;

- масса и габариты электрорадиоэлементов;

- наименьшая стоимость;

- надежность.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации при выборе электрорадиоэлементов, а также при конструировании изделия в целом позволяет получить следующие преимущества:

- значительно сократить сроки и стоимость проектирования;

- сократить на предприятии-изготовителе номенклатуру применяемых деталей и сборочных единиц, увеличить применяемость и масштаб производства;

- исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта радиоэлектронной аппаратуры, т.е. упростить подготовку производства;

- создать специализированные производства стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятий;

- улучшить производственную и эксплуатационную технологичность;

- снизить себестоимость выпускаемого изделия.

Учитывая вышесказанное, перейдем к выбору элементной базы разрабатываемого двухполярного блока питания с защитой от короткого замыкания.

3.1 Обоснование выбора пассивных элементов

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплуатационных параметров пассивных радиоэлементов, использованных в данном двухполярном блоке питания.

Из справочной литературы [18] имеем следующие данные об условиях эксплуатации конденсаторов следующих типов:

а) для конденсаторов типа КМ-6:

- температура окружающей среды от -60 до +125 0С;

- относительная влажность воздуха до 98% при 35 0С;

- атмосферное давление от 10-6 до 800 мм.рт.ст.;

- минимальная наработка 10000 часов.

б) для конденсаторов типа К53-4:

- температура окружающей среды от -80 до +850С;

- ток утечки от 2 до 5 мкА;

- срок сохранности 12 лет.

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов конденсаторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [1], [15] имеем следующие данные об условиях эксплуатации применяемых в генераторе резисторах:

а) для резисторов типа С2-23:

- температура окружающей среды от - 60 до + 700С;

- предельное рабочее напряжение

постоянного и переменного тока 200 В;

- минимальная наработка 23000 часов;

- срок сохранности 15 лет;

б) для резистора типа СП3-П1:

- температура окружающей среды при снижении электрической нагрузки до 0,2 Рн от -60 до +1000С;

- предельное рабочее напряжение постоянного или переменного тока230В;

- износоустойчивость 10000 циклов;

- срок сохранности 13 лет;

в) для резистора типа СП3-1А:

- температура окружающей среды при снижении электрической нагрузки до 0,2 Рн от -60 до +1000С;

- предельное рабочее напряжение постоянного или переменного тока250В;

- износоустойчивость 10000 циклов;

- минимальная наработка 15000 часов;

- срок сохранности 15 лет.

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов резисторов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [35] имеем следующие данные об условиях эксплуатации диодов следующих типов:

а) для диодов типа Д220А:

- постоянный прямой ток 0,5А;

- температура окружающей среды от - 60 до + 100 0С;

- время восстановления обратного сопротивления 10 мкс;

б) для диодов типа КС168А:

- постоянный прямой ток 10мА;

- температура окружающей среды - 60 до + 125 0С;

в) для диодов типа КД202В:

- время восстановления обратного сопротивления 10000 мкс;

- постоянный прямой ток 3 А;

- температура окружающей среды - 60 до + 125 0С.

г) для диодов типа Д814Д:

- напряжение стабилизатора…………….13В

- номинальная мощность………………...340 мВт

- постоянный прямой ток…………………………100мА

- температура окружающей среды…………… от -60до +1000С

д) для диодов типа Д818Е:

- напряжение стабилизатора……………8,5В

- ток стабилизации……..……………10мА

- температура окружающей среды……… от -60до +1250С

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов диодов, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [1] имеем следующие данные об условиях эксплуатации трансформатора и коммутационных устройств следующих типов:

а) для трансформатора питания типа ТС60-2:

- температура окружающей среды от - 60 до + 50 0С;

- относительная влажность воздуха до 98% при 35 0С;

- атмосферное давление от 400 до 790 мм.рт.ст.;

- температура перегрева обмоток в нормальных условиях 70 0С;

- срок службы 10000 часов;

б) для переключателя типа ТП1-2:

- допустимый ток при переменном токе 50 Гц при напряжении 250 В2А;

- температура окружающей среды от - 60 до + 70 0С;

в) для переключателя типа П2К:

- допустимый ток при переменном токе 50 Гц при напряжении 250 В2А;

- температура окружающей среды от - 60 до + 70 0С;

д) для переключателя типа 11П2НПМ:

- допустимый ток при переменном токе 50 Гц при напряжении 250 В2А;

- температура окружающей среды от - 60 до + 70 0С;

Сопоставляя условия эксплуатации прибора и условия эксплуатации предлагаемых типов коммутационных устройств, а также трансформатора, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Данный сравнительный анализ по использованию пассивных элементов в данном двухполярном блоке питания согласно предложенной схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технических характеристик электрорадиоэлементов заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются:

- конденсаторы С1,С5 … С8, С11, С12, С15, С16 типа КМ-6;

- конденсаторы С2-С4, С9, С10, С13, С14 типа К53-4;

- резисторы R1 - R35, R43 типа C2-23

- резисторы R36, R8 типа СП3-П1;

- резисторы R39, R40 - R43 типа Сп3-1А;

- стабилитроны VD7 типа КC168А;

- стабилитроны VD8 - VD9 типа Д814Д;

- стабилитроны VD10, VD11 типа Д818Д;

- диоды VD3 - VD6 типа КД202В;

- диоды VD1 типа Д220А;

- переключатели: SA1 типа ТП1-2; SA2; SA4 типа П2К; SA3 типа 11П2НПМ;

- трансформатор Т1 типа ТС60-2.

В качестве держателя сетевого предохранителя типа ВПБ-6-10-2А выбран держатель типа ДП6 по ГОСТ 6225-73.

Выбранная элементная база является унифицированной.

3.2 Обоснование выбора активных элементов

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплуатационных параметров активных радиоэлементов, использованных в данном двухполярном блоке питания.

Из справочной литературы [6] имеем следующие данные об условиях эксплуатации интегральных микросхем серии К140:

а) для микросхемы серии К140:

- интервал рабочих температур от -20 до +850С;

относительная влажность воздуха до 98% при 200С;

полоса единичного усиления 1 МГц;

напряжение питания 13В ± 3%;

Сопоставляя заданные условия эксплуатации двухполярного блока питания и условия эксплуатации предложенных микросхем, заключаем, что выбранная серия пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [12] имеем следующие данные об условиях эксплуатации применяемых в двухполярном блоке питания транзисторах:

а) транзистор типа КТ 837 А:

температура окружающей среды от - 60 до +1250С;

напряжение коллектор-база 80В;

номинальная рассеиваемая мощность 30Вт;

напряжение эмиттер-база…………………………15В.

б) транзистор типа КТ 814В:

- температура окружающей среды от - 60 до +1250С;

- постоянная мощность рассеивания 10Вт;

- напряжение эмиттер-база………………5В;

- напряжение коллектор-эмитер……………………2В.

в) транзистор типа КТ503Д:

- температура окружающей среды от - 50 до +850С;

- постоянная мощность рассеивания 350 Вт;

- постоянное напряжение коллектор-база 80В;

- постоянное напряжение эмиттер - база 5В;

г) транзистор типа КТ361Д:

- температура окружающей среды от - 60 до +1200С;

- постоянная мощность рассеивания 150мВт;

- напряжение коллектор-база 40В;

- напряжение эмиттер-база 4В;

д) транзистор типа КТ601А:

- температура окружающей среды от - 50 до +1500С;

- постоянная мощность рассеивания 0,5Вт;

- напряжение коллектор-база 100 В;

- напряжение эмиттер- база 2В;

Сопоставляя условия эксплуатации двухполярного блока питания и условия эксплуатации предлагаемых типов транзисторов, а также их энергетические показатели, заключаем, что данные типы пригодны для эксплуатации в заданных условиях.

Проведенный сравнительный анализ по использованию активных радиоэлементов в данном двухполярном блоке питания согласно предложенной схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технических характеристик электрорадиоэлементов заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются:

- микросхема DA1, DА2 серии К140;

- транзисторы VT1, VT6 типа КТ837А;

- транзисторы VT4, VT8 типа КТ503Д;

- транзисторы VT5, VT7 типа КТ361Д ;

- Транзисторы VT2 типа КТ 814В и VT3 типа КТ 601 А соответственно.

Выбранная элементная база является унифицированной.

3.3 Обоснование выбора материалов конструкции

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

Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

- иметь малую стоимость;

- легко обрабатываться;

- быть легкими;

- обладать достаточной прочностью и жесткостью;

- внешний вид материалов кожуха, лицевой и задней панелей должен отвечать требованиям технической эстетики;

- сохранять свои физико-химические свойства в процессе эксплуатации.

Применение унифицированных материалов в конструкции, ограничение номенклатуры применяемых деталей позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого изделия, улучшить производственную и

эксплуатационную технологичность. Сохранение физико-химических свойств материалов в процессе их эксплуатации достигается выбором для них необходимых покрытий. При выборе покрытий для материалов конструкции необходимо руководствоваться рекомендациями и требованиями, изложенными в ГОСТ 9.303-84 и ОСТ4ГО.014.000. Изготовление деталей конструкции типовыми технологическими операциями также позволяет снизить затраты при серийном выпуске изделия в промышленности. При изготовлении радиоэлектронной аппаратуры наиболее широкое применение нашли следующие технологические операции: штамповка, литье, точечная электросварка и другие. Для разрабатываемого прибора, учитывая его программу выпуска, целесообразно применение деталей, изготовленных штамповкой. Штампованные детали изготавливаются двумя группами технологических операций: разделительные и формообразующие. К первой группе относятся операции отрезки, вырубки, пробивки и т.п., применяемые для производства деталей из матового материала. Ко второй группе относятся операции гибки, вытяжки, высадки и т.п. Штамповка листовых материалов обеспечивает малую трудоемкость и стойкость изготовления деталей, высокую точность размеров. На технологичность конструкции штампованных деталей оказывают влияние ограничения в формообразовании для выбранного материала, величина допуска на размер и форму детали, требования к чистоте поверхности. Стоимость штампованной детали тем меньше, чем проще ее форма и размеры. Для изготовления деталей из листовых материалов применяют разнообразные материалы, как металлические, так и неметаллические. Из металлических сплавов широкое применение получили алюминиевые сплавы. В качестве неметаллических материалов используют сложные пластики, листовые термопластики. Для изготовления передней и задней панелей прибора рекомендуется применять сплавы АЛ-2, Амц и другие алюминиевые сплавы, подвергающиеся анодированию и защитной окраске. При изготовлении элементов несущих конструкций широко используются стали. Углеродистая сталь 3 кп обладает высокой пластичностью, вязкостью, имеет низкий предел текучести, отличается высокой чистотой поверхности, хорошо окрашивается.

Для изготовления печатных плат в радиоэлектронной аппаратуре наиболее широкое распространение получили такие материалы, как гетинакс, стеклотекстолит. При выборе материала печатной платы необходимо иметь в виду следующее:

- высокие электроизоляционные показатели;

- большая электрическая прочность;

- малые диэлектрические потери;

- химическая стойкость к действию химических растворов, используемых при изготовлении печатных плат;

- допускать штамповку;

- выдерживать кратковременные воздействия температуры до 240 0С в процессе пайки на плате электрорадиоэлементов;

- иметь высокую влагостойкость;

- быть дешевым.

При выборе материала печатной платы необходимо руководствоваться документами и государственными стандартами: ГОСТ10316-78,

ГОСТ23751-86, ГОСТ23752-86 и др.

Учитывая вышеизложенные требования, в разрабатываемом приборе для изготовления несущей конструкции (шасси) используется стальной горячекатаный квадратный прокат: квадрат 5-А ГОСТ259177/3КП -

б - 2ГОСТ380-71, из чего видно, что сторона квадрата 5 мм, повышенная точность, марка 3 кп, для обработки резанием, категория 2. Для изготовления кожуха используется холоднокатаная лента из стали: лента 3 кп -

М-К-Б1х210ГОСТ503-81, из чего следует, что лента из стали марки 3кп, мягкая, с обрезной кромкой, с контролем микроструктуры, толщина 1 мм, ширина 210 мм. Для изготовления передней и задней панелей используются ленты из алюминиевого сплава: лента Д16Т12х85ГОСТ13726-73, из чего следует, что лента из сплава Д16, закаленная и естественного состаренная, толщина 2 мм, ширина 85 мм. Винты, шайбы, гайки используются для крепежа и изготовлены из стали А12ГОСТ1414-75. В качестве виброизоляторов применены амортизаторы типа АПН-1 Гем.342.051ТУ. В качестве материала печатной платы выбран стеклотекстолит фольгированный односторонний, с толщиной фольги - 50 мкм:

СФ-1-50 ГОСТ10316-78.

В качестве покрытий использованы следующие:

- М9.Н6.Х41 - защитно-декоративное, хромовое, черное, наносится на кожух двухполярного блока питания;

- Ц9.хр - защитно-декоративное, цинковое, хромированное, наносится на шасси двухполярного блока питания;

- Ан.окс.эмаль МЛ-12-светло-серая IIУ2 - поверхность анодно-оксидированная и покрыта эмалью, наносится на переднюю и заднюю панели.

Материалы и покрытия, примененные в разрабатываемой конструкции, сведены в таблице 3.1.

Таблица3.1 - Наименование материалов деталей и их покрытий, используемых в двухполярном блоке питания

Наименование изделия	Марка материала	Покрытие
Шасси	Сталь 3 кп	Ц9Хр
Кожух	Сталь 3 кп	М9.Н6.Хи1
Передняя, задняя панель	Д16Т	Ан.окс.эмальМЛ-12-светло-серая
Крепеж	Сталь А12	ЦЭХр
Плата печатная	СФ-1-50	Сплав «Розе»

Выбранные материалы и покрытия отвечают требованиям технического задания.

4. Разработка компоновки двухполярного питания с защитой от короткого замыкания

4.1 Обоснование вариантов внутриблочной компоновки

Основная задача, решаемая при компоновке радиоэлектронной аппаратуры, - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса изделия и месторасположения в пространстве радиоэлементов и элементов несущих конструкций. При компоновке изделия необходимо учитывать электрические, магнитные, механические, тепловые и другие виды связей. Учет видов связей и оптимальное расположение радиоэлементов в конструкции позволяют обеспечить надежную работу устройства в целом при высокой его ремонтопригодности.

Размещение электрорадиоэлементов производилось согласно функционально-узловому методу конструирования радиоэлектронной аппаратуры, суть которого заключается в объединении частей схемы электрической принципиальной изделия в конструктивно технологически законченный узел, способный выполнить частную задачу преобразования или формирования сигнала.

Схема электрическая принципиальная разрабатываемого двухполярного блока питания располагается на одном узле (плате) за исключение трансформатора и органов управления. Чертеж платы двухполярного блока представлены в графической части проекта.

Конструкция монтажа обеспечивает свободный доступ ко всем электрорадиоэлементам с целью их осмотра, проверки, замены. Крепление печатных плат к шасси прибора осуществляется с помощью четырех крепежных винтов, проходящих через крепежные отверстия в плате. Сетевой трансформатор, являющийся наиболее крупногабаритным электрорадиоэлементам, расположен на периферии шасси, ближе к задней панели прибора, и крепится с помощью предусмотренных конструкцией трансформатора двух загибов непосредственно к шасси прибора. Тепловой режим работы радиоэлементов обеспечивается собственной конвенцией воздуха внутри корпуса, в кожухе которого проделаны перфорационные отверстия. На задней панели расположен держатель сетевого предохранителя. На передней панели прибора расположены органы управления:

- переключатель поворотный SA2 типа П2К регулирование «Зависимое/независимое»;

- переключатель модульный SA3 типа 11П2НПМ «Ток защиты»;

- переключатель SA4 типа П2К «Полярность измерителя» (+/-);

- переключатель SA5 типа П2К «Измерение» (ток/напряжение);

- переключатель SA6 типа П2К «Вольтметр» (12В, 30В, 60В).

На передней и задней панелях нанесены поясняющие надписи согласно ГОСТ 2.2.006-83. Механическое соединение, как передней, так и задней, панелей осуществляется посредством их привинчивания к каркасу прибора при помощи четырех винтов. К шасси прибора привинчены четыре резиновые виброизолирующие ножки. Крепление шасси осуществляется стяжками. Электрический монтаж блоков выполнен гибким монтажным проводом МТШВ. Провода сведены в жгут при помощи хлопчатобумажных ниток.

Разработанная конструкция с внутренней компоновкой прибора обеспечивает высокую ремонтопригодность изделия, удобство в эксплуатации, отвечает требованиям производственной технологичности.

4.2 Обоснование размещения органов управления и индикации на передней панели

Элементы индикации и управления следует размещать в соответствии с ГОСТ23000-78 «Пульты управления. Общие эргономические требования». При расположении индикаторов следует учитывать их приоритет (роль при достижении цели; цена ошибки оператора; частота использования; срочность использования информации; надежность работы индикаторов). Наиболее приоритетные индикаторы располагают прямо перед оператором, менее важные - сбоку слева, еще менее важные - сбоку справа. Следует также учитывать идентичность информации, логическую связь между сообщениями, совместное использование индикаторов, соответствие размещения индикаторов и технических устройств, работа которых отображается, соответствие навыкам оператора.

Для концентрации внимания операторов элементы индикации и управления могут быть объединены в логические блоки рамкой.

Эффективность выполнения операций управления в значительной степени зависит от конструкции органов управления и характера их размещения друг относительно друга и относительно органов индикации. Органы управления должны находиться в пределах досягаемости рук человека.

Органы управления радиоэлектронных систем делятся по своему назначению ан исполнительные (кнопки, тумблеры, клавиши) и регулировочные (ручки, переключатели, клавиши). К элементам управления предъявляются требования быстроты передачи информации от оператора, надежности работы, эстетичности, технологичности конструкции. По конструктивной реализации элементы управления делятся на управляемые одним пальцем (нажимные, передвижные) и двумя и большим числом пальцев (поворотные, многооборотные, рычажные).

Ориентировочные параметры ручек для плавной и ступенчатой регулировки:

- диаметр от 4 до 70 мм;

- высота от 12 до 20 мм;

- требуемое оптимальное усилие от 3 до 4 Н;

- максимально усилие до 25 Н.

Для тумблеров допустимое усилие переключения не должно превышать 5Н, а длина рычага должна быть в пределах от 3 до 15 мм. Усилие часто используемых кнопок должно составлять от 1 до 6 Н, диагональ кнопок выбирают в пределах от 8 до 30 мм, в зависимости от длины и ширины пальцев, глубина утапливания кнопок от 3 до 8 мм. При установке тумблеров и кнопок следует руководствоваться следующими соображениями:

- установка в горизонтальные ряды целесообразнее установки в вертикальные ряды, так как в первом случае уменьшается вероятность ошибки;

- рычаги тумблеров в любом рабочем положении и кнопки должны находится на расстоянии не менее 25 мм друг от друга.

Целостность панели управления радиоэлектронной системы достигается благодаря умелому использованию соподчиненности второстепенных элементов главным, пропорциональности и масштабности. Для лицевой панели прибора ведущим является ее фон, ведомыми - шкалы, индикаторы, кнопки, тумблеры, переключатели, ручки и т.д. Пропорции в вертикальном направлении являются более значимыми, чем в горизонтальном. Статичности при конструировании передней панели радиоэлектронной системы достигают путем симметрического расположения рядов кнопок, тумблеров и элементов индикации относительно оси симметрии или контрастного симметричного расположения разногабаритных и разнотоновых элементов. При компоновке панели управления в целом необходимо принимать во внимание:

- взаимное расположение органов индикации и управления с учетом последовательности работы с ними, с тем, чтобы органы зрения и управления человека двигались в одном направлении без резких скачков и зигзагов;

- при работе с двумя и более ручками регулировки руки оператора не должны перекрещиваться;

- при работе двумя руками следует стремиться к тому, чтобы движения оператора были симметричны и синхронны.

Учитывая вышеизложенные требования и рекомендации к оформлению передней панели радиоэлектронной системы, была разработана передняя панель разрабатываемого двухполярного блока питания.

Редко используемая сетевая кнопка располагается в правом верхнем углу панели. Органы управления располагаются в два ряда, по три органа в каждом. В расположении управляющих ручек, кнопок и тумблеров сыграла последовательность действий оператора при пользовании двухполярным блоком питания. Так в верхнем вертикальном ряду находятся: кнопки переключения пределов напряжение; ниже находится галетный переключатель пределов тока защиты. Ниже располагается горизонтальный ряд переключателей: «Измерение», «Полярность измерителя», «Регулирование». С правой стороны находится стрелочный прибор индикации напряжение и тока, под ним находятся ручки переменных резисторов для плавной регулировки напряжения двух каналов. Надписи, поясняющие назначение ручек и т.д., помещены непосредственно под ними. Расстояние между органами управления, как в горизонтальных, так и в вертикальных рядах соблюдены согласно нормам, описанным выше.

Предлагаемая компоновка органов управления двухполярного блока питания содержит в себе пропорциональность, симметричность, масштабность, что обеспечивает удобство пользования прибором, отвечает современным требованиям конструирования радиоэлектронной аппаратуры.

4.3 Разработка конструкции печатной платы двухполярного блока питания

Выбор печатного монтажа радиоэлементов в данном двухполярном блоке питания обусловлен заданной программой выпуска изделия - 10000 штук в год, что соответствует мелкосерийному типу производства. Печатный монтаж в этом случае является наиболее экономически целесообразным.

При разработке печатной платы были использованы следующие документы: ГОСТ23751-86, ГОСТ10317-79, ОСТ4ГО.010.009, ОСТ4ГО.010.011, ОСТ4ГО.064.089 и ряд других документов. Исходными данными при разработке топологии печатной платы являлись:

- схема электрическая принципиальная;

- установочные размеры радиоэлементов узла;

- рекомендации по разработке монтажа.

В процессе разработки был выбран односторонний тип печатной платы СФ-1-50, так как он характеризуется повышенной точностью выполнения проводящего рисунка; установкой изделий электронной техники на поверхность печатной платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительного изоляционного слоя, низкой стойкостью. Односторонний тип печатной платы был также выбран из-за относительно небольшого количества радиоэлементов, которые не обеспечивают крупных габаритов платы. Класс точности платы был выбран второй, как наиболее простой в исполнении, надежный в эксплуатации и дешевый. Метод изготовления платы - травлением, т.е. проводящие дорожки получают вытравливанием ненужного слоя меди. Группа жесткости выбрана вторая согласно ОСТ4.077.000. Конфигурация печатной платы прямоугольная. Шаг координатной сетки был выбран равным 2,5мм, как наиболее предпочтительный. Установка радиоэлементов на плату проведена в соответствии с ОСТ4ГО.010.030-81 с высоким коэффициентом заполнения. Радиоэлементы, установленные на печатную плату, приведены в приложении Б «Спецификация к сборочному чертежу платы печатной».

При разработке печатной платы были использованы следующие рекомендации:

- размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными 5 при длине до 350мм;

- максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470мм;

- соотношение линейных размеров сторон не более 3:1;

- рекомендуется прямоугольная форма печатной платы;

- допускается расположение печатных проводников под углами 450 и 900;

- монтажные отверстия располагают в узлах координатной сетки, нанесенной с определенным шагом (2,5; 1,25; 0,625);

- на печатных платах должны быть предусмотрены фиксирующие отверстия;

- за нуль в прямоугольной системе координат принимают центр крайнего левого нижнего отверстия либо левый нижний угол печатной платы либо левую нижнюю точку, образованную линиями построения;

- контактные площадки выполняют прямоугольной или круглой формы и т.д.

5. Защита двухполярного блока питания от воздействия дестабилизирующих факторов

Учитывая принадлежность разрабатываемого двухполярного блока питания к классу бытовой переносной радиоэлектронной аппаратуры, а также условия его эксплуатации, можно выделить три основных вида дестабилизирующих факторов, воздействующих на прибор:

- тепловое воздействие;

- вибрационное воздействие;

- воздействие электромагнитных полей.

Рассмотрим способы защиты от этих факторов.

5.1 Обоснование способа защиты от теплового воздействия

Тепловой режим характеризуется совокупностью температур элементов, из которых состоит радиоэлектронное устройство. Радиоэлементы во время работы потребляют электрическую энергию, значительная доля которой затем превращается в тепловую энергию, что вызывает перегрев элементов и аппаратуры. Если не принять соответствующие меры, то это приведет к снижению надежности конструируемого изделия.

Для обеспечения заданной работоспособности элементов радиоаппаратуры необходимо, чтобы температура этих элементов не превышала допустимой температуры по техническим условиям.

В соответствии с этим задача конструктора сводится к отводу рассеиваемой в элементе электрической энергии при необходимом значении температуры элемента радиоэлектрической системы. Существует несколько способов достижения величины такой температуры элемента радиоаппаратуры:

- интенсификация теплоотдачи;

- уменьшение температуры окружающей среды за счет применения специальных охлаждающих устройств;

- увеличение поверхности теплообмена за счет применения специального теплоотвода.

Проанализировав тепловой режим двухполярного блока питания, можно сказать, что в устройстве есть два теплонагруженных элемента: VT1 и VT6 (транзисторы типа КТ 837 А). Для предотвращения выхода их из строя от перегрева следует увеличить поверхность теплообмена за счет применения специального теплоотвода. В приборе будет осуществляться естественное воздушное охлаждение, т.е. тепловая энергия, полученная воздухом внутри корпуса при конвективном теплообмене с зоной и внутренней поверхностью корпуса, выносится потоком проходящего воздуха в окружающую среду. Движение воздуха вызвано разностью температур, а, следовательно, и давлением внутри и снаружи аппарата. Качество такого охлаждения зависит от мощности, выделяемой устройством во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности. В нашем случае с целью улучшения теплообмена корпуса двухполярного блока питания и окружающей среды кожух прибора выполнен перфорированным.

5.2 Обоснование способа защиты от вибрации

Защита радиоэлектронных систем от механических воздействий осуществляется следующими группами методов:

- уменьшается интенсивность источников механических воздействий (путем их балансировки, уменьшения зазоров, виброизоляции самого источника механических воздействий);

- уменьшается величина передаваемых радиоэлектронной системе воздействий (путем их виброизоляции, устранения резонансов, активной виброзащиты с помощью маятников, эксцентриков и т.д.);

- используется наиболее прочные и жесткие компоненты и узлы.

Методы второй и третьей групп используют конструкторы радиоэлектронных средств, однако методы активной вибрации имеют ограниченное применение по причине высокой сложности и низкой надежности технических решений.

Устойчивость радиоаппаратуры к механическим воздействиям связана с транспортной вибрацией (аппаратура выключена) и с эксплуатационной (аппаратура включена). Вибропрочностью называют способность конструкции противостоять разрушающему воздействию вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений (не должно происходить силовых и усталостных разрушений). Виброустойчивостью называют способность конструкции радиоэлектронной системы выполнять свои функции при вибрации в заданных диапазонах частот и ускорений (не должно происходить изменения параметров аппаратуры: чувствительности, мощности излучения, паразитной модуляции). Виброизоляция осуществляется путем установки между радиоэлектронной системой и основанием упругих опор, образующих вместе с конструкцией аппаратуры сложную колебательную систему, которая обладает свойствами декларирования и частотной селекции механических колебаний. Декларирование заключается в поглощении механических колебаний за счет трения в материале конструкции упругой опоры (резине, поролоне, вибропоглощающем покрытии), сочленениях амортизатора. Частотная селекция механических колебаний заключается в том, что система виброизоляции в резонансной области является фильтром нижних частот, а при совпадении собственной частоты системы и частоты внешних воздействий переходят в резонансный режим.

Так как создаваемый блок питания может быть отнесен к наземной радиоэлектронной системе, то при транспортировке, случайных падениях и т.п. он может подвергаться динамическим воздействиям. Изменения обобщенных параметров механических воздействий на наземную радиоэлектронную аппаратуру находится в пределах:

- вибрация от 10 до 70Гц;

- виброперегрузка от 1д до 4д;

- ударные сотрясения от 10д до 15д;

- длительность воздействия от 5 до 10мс;

- линейные перегрузки от 2д до 4д.

Учитывая эти данные, характер эксплуатации прибора и климатические условия, выбираем пружинные с демпфированием амортизаторы типа АПН-1, коэффициентом жесткости 6,8, с номинальной нагрузкой от 5 до 10Н расположив их симметрично по углам днища прибора.

5.3 Обоснование способа защиты от электромагнитных полей

При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источником электромагнитных полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех могут быть также мощные электронные установки, транспортные коммуникации, двигатели и т.д.

Для обеспечения электромагнитной совместимости аналоговых узлов используют системотехнические (передача аналоговой информации в цифровой форме и кодирование ее с помощью помехозащищенных кодов), схемотехнические (исключение необоснованного использования элементов с завышенной рабочей частотой, применение схем на основе дифференциальных усилителей, подавление помех с помощью режекторных фильтров, использование амплитудного и временного стробирования, прецизионных элементов и т.д.) и конструкторско-технологические методы (уменьшение числа конструкторско-технологических типов линий связи в одной цепи, ослабление паразитной связи путем разнесения источников и приемников помех, уменьшения длины взаимодействующих участков линий, использование материалов с малой диэлектрической проницаемостью; увеличение числа точек заземления, частичное экранирование печатных плат или введение экранов в трансформаторы; освоение производства изделий с улучшенными свойствами и т.д.).

Если при разработке конструкции аналогового узла указанные выше меры по электромагнитной совместимости окажутся недостаточными, то осуществляют экранирование, уменьшающее перекрестные помехи в требуемое число раз. Однако это увеличивает сложность аппаратуры, ее габариты, массу, стоимость. Экранирование заключается в локализации электромагнитной энергии в определенном пространстве. Поглощая и отражая поток электромагнитной энергии, создаваемой источниками поля, экран отводит его от защищаемой области. Эффективностью экранирования называют отношение напряжений, токов напряженностей электрического и магнитного полей в экранируемой области при отсутствии и при наличии экрана.

...