Разработка блока питания двухполярного с защитой от короткого замыкания

По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирование.

Электростатическое экранирование - это вид экранирования, заключающийся в шунтировании большей части паразитной емкости емкостью на корпусе.

Магнитостатическое экранирование используется для защиты чувствительных цепей, элементов и устройств от постоянного и медленного изменяющегося переменного магнитного поля. В этом случае источник или приемник наводки заключают в сплошной экран, изготовленный из ферромагнитных материалов. Если в такой экран заключен источник наводки, то магнитные силовые линии замыкаются в нем и далее не распространяются. Если в экран заключен приемник наводки, то силовые линии магнитного поля не проникают в полость экрана.

Электромагнитное экранирование заключается в том, что переменное высокочастотное электромагнитное поле при прохождении через металлический лист либо перпендикулярно, либо под некоторым углом к его плоскости, наводит в этом листе вихревые токи, поле которых ослабляет действие внешнего экрана. Металлический лист в данном случае является электромагнитным экраном. Плотность вихревых токов уменьшается в металлическом экране от поверхности в глубь него. Это уменьшение тем больше, чем выше частота поля и чем больше удельное сопротивление материала экрана. При выборе материала экрана и его толщины не обходимо учитывать не только электрические свойства материала, но и его механическую прочность, массу, коррозийную стойкость, удобство изготовления, обеспечение надежности контакта с точкой нулевого потенциала, теплоотвода и т.д.

Эффективность экрана может снижаться при проникновении электромагнитной волны не только через экран, но и по проводам, проходящим через экран к защищаемым элементам. Поэтому при разработке высокочастотной конструкции особое внимание должно быть уделено экранированию проводов и кабелей.

Использование в качестве электромагнитных связей экранированных проводников требует соблюдения ряда условий при заземлении экранирующей оболочки. Применение провода с экранирующей металлической оболочкой, не соединенной с корпусом, никакого экранирующего эффекта не дает, так как в оболочке не могут возникнуть дополнительные токи, магнитное поле которых могло бы уменьшить поле, создаваемое основным током в проводе, и отсутствуют условия для стекания электрических зарядов. Экранированные провода громоздки, неудобны при монтаже, и требуется предохранять их от случайного соединения с другими деталями. Длина экранированного участка должна быть меньше четверти длины самой короткой волны спектра частот передаваемого сигнала. Особое внимание необходимо уделять тщательной заделке концов кабеля в высокочастотном соединителе. При плохом контакте может уменьшиться амплитуда сигнала, и появятся отражения.

В разрабатываемом двухполярном блоке питания источником внутренних помех является сетевой трансформатор, вносящий возможность возникновения помех по сети питания. Для стабильной работы двухполярного блока питания, учитывая минимизацию габаритных размеров проектируемого прибора, целесообразно применить метод пространственного разнесения функциональных узлов блока питания (платы блока питания и трансформатора).

6. Конструкторские расчеты

6.1 Компоновочный расчет двухполярного блока питания

Расчет будем проводить согласно методике, изложенной в [6]. Исходными данными для расчета являются перечень элементов схемы электрической принципиальной, представленной в приложении А и установочные размеры электрорадиоэлементов:

- установочный объем V уст;

- установочная площадь S уст.

Сначала необходимо рассчитать площадь печатной платы. Необходимые данные сведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Справочные значения установочной площади S уст., расчетные значения суммарных установочных площадей ?S уст. и справочные значения массы электрорадиоэлементов проектируемого двухполярного блока питания

Вид элемента и основная характеристика	Тип	Количество	S уст, см2	?S уст, см2	Масса, не более, г
Резисторы	С2 - 23	36	0,2	7,2	18
Конденсаторы	КМ-6 К53-4	8 6	0,66 0,69	5,28 4,14	2 15,6
Диоды	Д220А КС168 А КД202 В Д814 Д Д818 Е	1 1 4 2 2	0,2 - 0,45 0,72 1,36 2,1	0, 2 0,45 2,88 2,72 4,2	2,1 1,8 5,6 6 6,5
Микросхемы Корпус 301.8 - 2	К140	2	5,7	11,4	7,5
Итого:				48,77	82,4

Примечание - Суммарное значение установочной площади ?S уст. определялось по формуле:



где - суммарная установочная площадь электрорадиоэлементов, см2;

n - количество электрорадиоэлементов;

Sустi - установочная площадь элемента.

Из конструктивных соображений выбираем коэффициент заполнения площади печатной платы равный Кз=0,5. Ориентировочно определяем реальную площадь печатной платы Sреал. разрабатываемой конструкции по формуле:

где S реал. - реальная площадь печатной площади;

Sуст. - суммарная установочная площадь всех радиоэлементов на плате, 48,77см2.

КЗ - коэффициент заполнения площади печатной платы, КЗ = 0,5.

Тогда получим:

S реал. = 48,77/0,5=97,54 (см2)

Окончательно выбираем размеры печатной платы (их габариты) следующие: 140х220мм. Отсюда площадь печатной платы будет равна S платы = 308 см2. Теперь приступим к расчету объемы разрабатываемого корпуса двухполярного блока питания. Необходимые данные сведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Справочные значения установочных объемов Vуст., расчетные значения суммарных установочных объемов ?Vуст. и справочные значения массы электрорадиоэлементов проектируемого двухполярного блока питания

Вид элемента и основная характеристика	Тип	Количество	Vуст, см3	?Vуст, см3	Масса, не более, г
1	2	3	4	5	6
Держатель предохранителя	ДПБ	1	1,8	1,8	10
Диоды	Д220А КС168 А КД202 В Д814 Д Д818 Е	1 1 4 2 2	0,228 0,12 0,072 1,1 1,2	0,228 0,12 0,288 2,2 2,4	2,1 1,8 5,6 6 6,5
Конденсаторы	КМ-6 К53-4	8 6	2,4 0,12	19,2 0,72	2 15,6
Микросхемы	К140	2	15,4	30,8	7,5
Переключатели	ТП1-2 П2К 11П2НПМ	1 4 1	10 16,6 125	10 66,4 12,5	16 50 25
Резисторы	С2-23	36	0,21	7,56	18
Транзисторы	КТ837А КТ814В КТ503Д КТ361Д КТ601А	2 1 2 2 1	0,5 0,8 1,26 1,3 5,65	1 0,8 2,52 2,6 5,65	7,2 3,2 1,5 1,8 3,5
Трансформатор	ТС60-2	1	750	750	900
Итого:				916,7	1083,3

Примечание - Суммарное значение установочного объема ?Vуст. определить по формуле:

V уст. = n•Vуст.i

где Vуст. - суммарный установочный объем электро-радиоэлементов, см3;

n - количество электрорадиоэлементов;

Vуст.i - установочный объем элемента, см3.

Из конструктивных соображений выбираем коэффициент заполнения объема корпуса двухполярного блока питания равный КЗ = 0,2. Ориентировочно определяем реальный объем Vреал. разрабатываемой конструкции по формуле:

Vреал. = Vуст./КЗ

где Vреал. - реальный объем конструкции, см3;

Vуст. - суммарный установочный объем, занимаемый электрорадиоэлементами, 382,645см3;

КЗ - коэффициент заполнения объема корпуса генератора, КЗ=0,2.

Подставляем значения:

Vреал. = 382,645/0,2 = 1913,23 (см3)

Окончательно выбираем следующие габариты корпуса двухполярного блока питания:

- длина 225мм;

- ширина 145мм;

- высота 95мм.

Отсюда объем корпуса будет составлять Vкорпуса= 5010см3.

Масса готового изделия с учетом всех составляющих прибора элементов не превосходит 1083,3 г. На этом компоновочный расчет закончен.

6.2 Оценка теплового режима двухполярного блока питания

Оценка теплового режима радиоэлектронной аппаратуры заключается в определении по исходным данным температуры нагретой зоны и температур поверхностей теплонагруженных элементов и сравнения полученных значений с допустимыми для каждого радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации.

Как уже говорилось ранее, для обеспечения нормального теплового режима для разрабатываемого прибора. Недостаточно применения естественной вентиляции. Корпус прибора имеет перфорированные отверстия. Наиболее теплонагруженными элементами являются трансформатор и транзисторы типа КТ837А. Рассеиваемая мощность трансформатора в рабочем режиме равна 33Вт. Рассеиваемая номинальная мощность транзистора ровна 30Вт.

Методика расчета теплового режима блока радиоэлектронной аппаратуры в перфорированном корпусе взята из [31].

Расчёт поверхности корпуса блока:

Sк = 2•[L1•L2+(L1+L2)•L3]

где L1 - длина корпуса,0,225 (м);

L2- ширина корпуса, 0,145 (м);

L3- высота корпуса,0,095 (м).

Подставим значения в формулу

Sк = 2•[0,2225•0,145+(0,2225+0,145)•0,0953] = 0,135 (м2).

Определение условной поверхности нагретой зоны:

Sз = 2•[L1•L2+(L1+L2)•L3•Кз]

где Кз - коэффициент заполнения объема корпуса, Кз = 0,2.

Подставим значения в формулу:

Sз = 2•[0,225•0,145+(0,225+0,145)•0,095•0,2] = 0,079 (м2).

Определение удельной мощности корпуса блока:

qк = Р/Sк

где Р - мощность, рассеиваемая в блоке, Р =60 Вт.

Подставим значения в формулу

qк = 60/0,135= 444 (Вт/м2)

Определение удельной мощности нагретой зоны

qз = Р/Sз = 60/0,079 = 759,4 (Вт/м2)

Нахождение коэффициента и1

и1= 0,1472•qк - 0,2962•10-3•qк2 + 0,3127•10-6•qк3

и1= 0,1472•444 - 0,2962•10-3•4442 + 0,3127•10-6•4443 = 6,96

Нахождение коэффициента и2

и2 = 0,139•qз - 0,1223•10-3•qз2 + 0,0698•10-6•qз3

и2= 0,139•759,4 - 0,1223•10-3•759,42 + 0,0698•10-6•759,43 = 35,02

Нахождение коэффициента Кн1

Кн1 = 0,82 + 1/(0,925 + 4,6•10-5•Н1)

где Н1 - давление окружающей среды, Н1 = 10•104 Па.

Подставим значение в формулу:

Кн1 = 0,82 + 1/(0,925 + 4,6•10-5•10•104) = 1

Нахождение коэффициента КН2

КН2 = 0,8 + 1/(1,25 + 3,8•10-5•Н2)

где Н2 - давление внутри корпуса блока, Н2 = 10•104 Па.

Подставим значение в формулу:

КН2 = 0,8 + 1/(1,25 + 3,8•10-5•10•104) = 0,99

Расчет суммарной площади перфорационных отверстий:

Sn = Si

где Si - площадь I-того перфорационного отверстия, Si = 4,4•10-5 (м2);

n - количество перфорационных отверстий, n = 64.

Подставим значения в формулу:

Sn = 64•4,4•10-5 = 0,003 (м2)

Расчет коэффициента перфораций:

П = Sn/2•L1•L2 = 0,003/2•0,222•0,145= 0,045

Определение коэффициент Кп, являющегося функцией коэффициента перфорации:

Кп = 0,29 + 1/(1,41 + 4,95•П)

Кп = 0,29 + 1/(1,41 + 4,95•0,045) = 0, 9

Расчет перегрева корпуса блока:

ик = 0,93•и1•КН1•КН2

ик = 0,93•1,78•1•0,99 = 1,64

Определение перегрева нагретой зоны:

из = 0,93•Кп•[и1•КН1 + ((и2/0,93) - и1) •КН2]

из = 0,93•0, 9•[6,96•1 + ((35,02/0,93) - 6,96) •0,99]= 31,26

Определение среднего перегрева воздуха в блоке:

ив = 0,6•из = 0,6•31,26 = 18,756

Определение удельной мощности трансформатора по формуле:

qтрансф. = Ртрансф./Sтрансф.

где Ртрансф. - рассеиваемая мощность трансформатора, Ртрансф. = 33 Вт;

Sтрансф. - площадь поверхности трансформатора, омываемая воздухом, Sтрансф. = 0,0564 (м2).

Подставим значения в формулу:

qтрансф. = 33/0,0564 = 585,1 (Вт/м2)

Определение удельной мощности транзистора типа КТ837А:

qтранз. = Ртранз./Sтранз.

где Ртранз. - рассеиваемая мощность транзистора, Ртранз. = 30Вт;

Sтранз. - площадь поверхности транзистора, омываемая воздухом, Sтранз. = 4,3•10-4.

Подставим значения в формулу:

qтранз. = 30/4,3•10-4 = 9090,9 (Вт/м2)

Расчет перегрева поверхности трансформатора:

итрансф. = из•(0,75 + 0,25•qтрансф./qз)

итрансф = 31,26•(0,75 + 0,25•585/759,4) = 29,46

Расчет перегрева среды, окружающей трансформатор:

иэс трансф. = ив•(0,75 + 0,25•qтрансф./qз)

иэс трансф = 18,75•(0,75 + 0,25•585,1/759,4) = 17,6

Расчет перегрева поверхности транзистора типа КТ837А:

итранз. = из•(0,75 + 0,25•qтранз./qз)

итранз.= 31,26•(0,75 + 0,25•9090,9/759,4) = 116,9

Расчет перегрева среды, окружающей транзистор типа КТ837А:

иэс транз. = ив•(0,75 + 0,25•qтранз./qз)

иэс транз = 18,75•(0,75 + 0,25•9090,9/759,4) = 70,17

Определение температуры корпуса блока:

Тк = ик + Тс

где Тс - температура среды, окружающей блок, Тс = 35єС

Подставим значения в формулу:

Тк = 6,4+ 35 = 41,4 єС

Определение температуры нагретой зоны:

Тз = из + Тс = 31,36 + 35 = 66,36 єС

Нахождение температуры поверхности трансформатора:

Т трансф. = итрансф. + Тс = 29,46 + 35 = 64,46 єС

Нахождение температуры поверхности транзистора типа КТ837А:

Ттранз. = итранз. + Тс = 116,9 + 35 = 151,9 єС

Нахождение средней температуры воздуха в блоке:

Тв = ив + Тс = 18,75 + 35 = 53,75 єС

Нахождение температуры среды, окружающей трансформатор:

Тэс трансф. = иэс трансф. + Тс = 17,6 + 35 = 52,6 єС

Нахождение температуры среды, окружающей транзистор типа КТ837А:

Тэс транз. = иэс транз. + Тс = 70,17 + 35 = 105,17 єС

Из расчета видно, что температура трансформатора равна 64,460С и не превышает значения температуры перегрева обмоток выбранного

трансформатора, равного 700С. Также видим, что температура транзистора типа КТ837А равна 151,90С и превышает значения допустимого. Исходя из полученных данных делаем вывод, что необходимо теплонагруженный элемент обеспечить дополнительным охлаждением (возможно использование радиатора).

6.3 Расчет радиатора

Расчет проводится в следующей последовательности [31]. Рассчитываем максимальную мощность рассеивания транзистора

Рmax = tк - tc /Rrк

где tк - максимально допустимая температура перехода, tк;

Rrк - тепловое контактное сопротивление между переходом и корпусом, Rrк = 3,33 С/Вт;

Рmax = tк - tc /Rrк = 125 - 25 / 3,33 = 30,03

т.к. Рmax > P, то данный транзистор применить можно.

Рассчитываем среднюю поверхностную температуру радиатора:

tp= q [tп - Р ( Rпк + Rкр)]

tp= (125 - 30 (3,33 +0,41)) = 12,8

Определяем перепад температуры ?t:

?t = tс - tр = 35 - 12,8 = 22,2

Определяем коэффициент тепло передач:

бк = А1 (tр - tс/L)1/4

tм = 0,5 (tр - tс)

tм = 0,5( 35 + 12,8) = 47,8

бк = 1,32 (35-12,8/0,04)1/4 = 6,4

Определяем коэффициент теплопередачи бл:

бл= е · ц · f (tр· tс)

бл= 0,57 · 1· 9,51 = 5,4

Определяем коэффициент теплопередачи б:

б = бк + бл= 6,4 + 5,4 = 11,8

Рассчитываем теплообменную поверхность:

S= P/ б ·?t = 30/ 11,8 · 22,2 = 0,11 · 10-2(м2)

Рассчитаем ширину пластины:

В = (S - 2L·д) / 2(L+д)

В = (0,11 · 10-2·2·0,04 · 5·10-3)/ 2(0,04 + 5·10-3) = 55 мм

Таким образом будем применять пластичный радиатор из меди (115 Ч55Ч35) мм.

6.4 Расчет проводящего рисунка печатной платы

Исходными данными для расчета являются размеры печатной платы 140х220мм и то, что проводники на плате имеют покрытие сплавом «Розе».

Определение минимального диаметра компактной площадки D под резисторы типа С2-23:

D = (d+?dво) + 2b + ?tво + (Td2 + To2 + ?tмо2)1/2

где d = 0,8 (мм) - номинальный диаметр отверстия;

?dво = 0,1(мм) - верхнее отклонение диаметра отверстия;

b = 0,2 (мм) - величина гарантийного пояса;

?tво = 0,15 (мм) - верхнее отклонение ширины проводника;

Td = 0,15 (мм) - диаметральное значение позиционного допуска расположения центра отверстия относительно номинального положения узла координатной сетки;

То = 0,25 (мм) - диаметральное значение позиционного допуска расположения контактной площади относительно его номинального положения;

?tно = 0,1 (мм) - нижнее предельное отклонение ширины проводника. Подставим значения в формулу

?с2-23 = (0,8 + 0,1) + 2•0,2 + 0,15 + (0,152 + 0,252 + 0,12)1/2 = 1,8 (мм)

Определение минимального диаметра контактной площади ? под микросхему серии К140 с номинальным диаметром отверстия d = 1,2 (мм) по формуле (6.35):

DД814Д = (1,2 + 0,1) + 2•0,2 + 0,15 + (0,152 + 0,252 + 0,12)1/2 = 2 (мм)

Определение минимального диаметра контактной площади D под микросхемы серии К140 с номинальным диаметром отверстия d = 1,5 (мм) по формуле (6.35):

DМС = (1,5 + 0,1) + 2•0,2 + 0,15 + (0,152 + 0,252 + 0,12)1/2 = 2,5 (мм)

Определение минимального расстояния lд между центрами отверстий микросхемы серии К140 для прохождения двух проводников между ними:

lд = (D1 + D2) /2 + t•n + S•(n + 1) + Ti

где D = 2,5 (мм) - диаметры номинальной площадки;

t = 0,5 (мм) - ширина проводника;

n = 2 - число проводников;

S = 0,45 (мм) - расстояние между проводниками;

Ti = 0,1 (мм) - диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения.

Подставим значения в формулу

lд = (2,5 + 2,5)/2 + 0,5•2 + 0,45•(2 +1) + 0,1 = 4,95 (мм)

Определение свободного поля для прокладки проводников:

L = Lном - D

где Lном = 5 (мм) - номинальное расстояние между центрами выводов микросхем серии К140;

D = 2,5 (мм) - минимальный диаметр контактной площадки для микросхем серии К140. блок питание замыкание радиатор

Подставляем значения в формулу

L = 5 - 2,5 = 2,5 (мм)

Полученные расчетные величины и сравнения их с номинальными значениями позволяют сделать вывод о правильности результатов расчета и заключить для проектирования печатной платы следующее:

- между выводами микросхем серий К140 с номинальным расстоянием 5мм возможно провести два проводника шириной 0,5мм, т.к. lд = 4,95мм, что не превышает 5мм;

- минимальный диаметр контактных площадок для отверстий с d=0,8мм под выводы конденсаторов КМ - 6, диодов КС168А; транзисторов - равен 1,8мм;

- минимальный диаметр контактных площадок для отверстий с d=1,2мм под выводы конденсаторов К53 - 4; диодов КД202А - равен 2 мм;

- для изготовления печатной платы второго класса точности ширина проводников в узких местах между отверстиями под выводы микросхем серий К140 не должна превышать 0,5 мм.

6.5 Оценка помехоустойчивости печатного монтажа

В результате расчета необходимо определить паразитные величины емкостей, индуктивностей, взаимоиндуктивностей для разработанной топологии печатной платы, представленной в графической части.

Исходными данными для расчета являются:

- количество параллельных сигнальных проводников 4;

- допустимая величина паразитной емкости между двумя соседними проводниками при сбое сигнала 10пФ;

- допустимая величина паразитной емкости между соседними проводниками при ложной срабатывании 60пФ;

- максимально допустимая длина четырех печатных параллельных проводников 6 см;

- максимально допустимая длина двух параллельных печатных проводников 12 см.

Определяем паразитную емкость Спар. между двумя параллельными печатными проводниками:

Спар. = Спог.•l1

где Спог. - погонная емкость, 0,55 пФ/см;

l1 - длина печатного (сигнального) проводника, 3,5 см.

Подставляем значения в формулу:

Спар. = 0,55•3,5 = 2 (пФ)

Для четырех проводников величина паразитной емкости увеличивается в 2 раза, т.е. равна 4 пФ. Полученная величина паразитной емкости не превышает допустимую, т.е. 4пФ<10пФ.

Определяем значение паразитной взаимоиндукции М1 для сигнальных цепей:

М1 = 2l1•[ln(2l1/(S + t1)) - 1]

где S - среднее расстояние между сигнальными проводниками, S = 0,25 (см);

t1 - ширина проводника, t1 = 0,08 (см).

Подставляем значение в формулу:

М1 = 2•3,5•[ln(2•3,5/(0,25 + 0,08)) - 1] = 14,35 (нГн)

Определяем значение паразитной взаимоиндукции М2 для «общей» шины питания:

М2 = 2l2•[ln(2l2/(S + t2)) - 1]

где l2 - длина сигнального печатного проводника, параллельного «общей» шине питания, l2 = 5 (см);

t2 - ширина «общей» шины питания, t2 = 0,15 (см).

Подставляем значения в формулу:

L? = 4•18• (0,5 + 0,774•(62•10-3+ 0,15)/18 +ln2•18/(62•10-3 +0,15)) = =430,2 (нГн)

Из результатов расчета можно заключить, что разработанная топология печатной платы является помехоустойчивой. Полученные величины индуктивностей, взаимоиндукции печатной проводников, равные 14,35нГн; 22,2нГн; 403,2 нГн, не превышают допустимую индуктивность 540нГн для используемых микросхем серий К140.

6.6 Расчет надежности двухполярного блока питания

Исходными данными для расчета являются значения интенсивностей отказов всех радиоэлементов и элементов конструкции, их коэффициенты эксплуатации и времена восстановления. Эти данные связаны в таблицу 6.3, в которой радиоэлементы и элементы конструкции классифицируются по группам. Также имеются и дополнительные данные:

- время непрерывной работы изделия100 часов;

- заданное время восстановления изделия0,5 часа;

- достаточное число отказов12.

Таблица 6.3 - Справочные данные об элементах конструкции

Обозначение	Наименование, тип элемента	Ni	вoi•10-6 ч-1	Кэкст.	I, ч
1	2	3	4	5	6
Конденсаторы С1,С5- С8, С11- С12, С15, С16	КМ-6	9	0,05	0,3	0,3
Микросхемы DA1 DА2	К140УД15	2	1	0,7	0,6
Вставка плавная FU1	ВП1-1	1	0,8	0,2	0,1
Резисторы R1-R35, R43, R36, R37, R39, R43	С2-23, СП3-ПI, СП3-1А,	36 2 5	1 0,1 0,2	0,3 0,2 0,2	0,4 0,2 0,2
КонденсаторыС2-С4, С9, С10, С13, С14	К53-4	7	0,05	0,4	0,2
Переключатели,SA1 SA2 SA4- SA6, SA3	ТП1-2 П2К 11П 2НПМ	1 4 1	0,3 0,4 0,3	0,2 0,2 0,3	0,3 0,3 0,2
Трансформатор ТV1	ТС60-	1	0,5	0,6	0,5
Диоды VD1 VD2 VD3-VD6 VD7-VD8 VD9-VD10	Д220А КС168A КД202В Д814Д Д818Е	1 1 4 2 2	0,4 0,4 0,3 0,4 0,4	0,3 0,3 0,3 0,3 0,3	0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
ТранзисторыVT1, VT2 VT3 VT4, VT5 VT6,VT7 VT8	КТ 837 А КТ814В КТ503Д КТ361Д КТ601 А	2 1 2 2 1	0,6 0,4 0,3 0,4 0,4	0,3 0,3 0,2 0,3 0,3	0,2 0,3 0,3 0,2 0,3
Прочие изделия	Провод монтажный Соединения пайкой Плата печатная Шнур питания Клемма Держатель предох-ранителя Корпус	1м 201 1 1,5 м 6 2 1	0,3 0,04 0,2 1 0,5 0,2 1	0,1 0,8 0,5 0,8 0,1 0,2 0,5	0,3 0,1 0,3 0,5 0,3 0,3 1

Примечания

- Ni - число элементов I-ой группы.

- вoi - априорная номинальная интенсивность отказов при температуре окружающей среды 200С и коэффициенте нагрузки Кнi = 1, час-1.

- Кэскпл. - коэффициент эксплуатации элементов конструкции.

- I - время восстановления i-го элемента.

Расчет надежности устройства составит из следующих этапов, рассмотренных далее.

Определяем значение суммарной интенсивности отказов в? () с учетом Кэкспл.:

? ()=Кэкспл.•oi• Ni, (час-1)

Определяем средняя наработка на отказ То:

To=1/? (), (час)

Определяем вероятность безотказной работы Р?(tз):

Р?(tз)=e-tз(),

где tз - заданное время непрерывной работы изделия, tз =1000 (ч).

Определяем среднее время восстановления Тв:

Тв=

Определяем вероятность восстановления V():

V()=1-е-зад /Тв ,

где зад - заданное время восстановления изделия, зад = 0,5 (ч).

Определяем коэффициент готовности Кг:

Кг=То/( То+ Тв)

Определяем коэффициент ремонтопригодности Кр:

Кр=1- Кг

Определяем вероятность нормального функционирования Р(t)норм:

Р(t)норм =Кг•Р?(tз)

Определяем вероятность безотказной работы с учетом восстановления Р(t,) по формуле:

Р(t,)= e-[(1-v())/ To]•tз

Определяется доверительные границы для наработки на отказ To по формуле:

,

где m - достаточное число отказов, m=12;

=0,9- коэффициент достоверности определения границ;

r - число степеней свободы, r=2m;

=(1)/2 -доверительная вероятность;

2(r) - функция 2;

Расчет выполняется для периода нормальной эксплуатации при следующих основных допущениях:

- отказы элементов случайны и независимы;

- учитываются только внезапные отказы;

- имеет место экспоненциальный закон надежности устройства.

Расчет надежности проводился на ПЭВМ при помощи программы “SNAD”. Исходные данные для расчета и результаты расчета приведены в приложении Г. Полученное значение средней наработки на отказ, равное 48529 часов, превышает заданное, равное 15000 часов, что гарантирует надежную работу разрабатываемого двухполярного блока питания.

6.7 Расчет коэффициентов технологичности конструкции

Номенклатуру количественных показателей технологичности регламентирует ОСТ4ГО.091.219. в соответствии с ним разрабатываемый блок питания двухполярный относится к классу радиотехнических блоков.

Чтобы ответить на вопрос о технологичности конструкции потребуется определить семь показателей технологичности, а затем найти значение комплексного показателя технологичности.

Определяем коэффициент автоматизации и механизации монтажа Ка.м.:

Ка.м.=На.м./Нм,

где На.м. - количество монтажных соединений, которые могут осуществляться автоматизированным или механизированным способом, На.м.=135;

Нм - общее количество монтажных соединений, присутствующих в данном изделии, Нм=158.

Подставляем значения в формулу:

Ка.м.=135/158=0,85

Определяем коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу Км.п.эрэ:

Км.п.эрэ=Нм.п.эрэ/Нэрэ,

где Км.п.эрэ - количество электрорадиоэлементов, подготовка которых к монтажу осуществляется автоматизированным или механизированным методом, Км.п.эрэ=75;

Нэрэ - общее количество электрорадиоэлементов, Нэрэ=88.

Подставляем значения в формулу:

Км.п.эрэ=75/88=0,8

Определяем коэффициент освоенности деталей Косв.д. по формуле:

Косв.д.=1-Дор/Д,

где Дор - общее количество оригинальных деталей в изделии(печатная плата, экранная перегородка), Дор=3;

Д=4-общее количество деталей.

Подставляем значения в формулу:

Косв.д=1-3/4=0,25

Определяем коэффициент использования интегральных схем и микросборок Кисп.ис по формуле:

Кисп.ис=Нис/(Нэрэ+Нис),

где Нис - количество интегральных схем, Нис=2.

Подставляем значения в формулу:

Кисп.ис=2/(26+2)=0,07

Определяем коэффициент повторяемости печатных плат Кпов.п.п.:

Кпов.п.п.=1-Нтп.п/Нп.п,

где Нтп.п - количество типоразмеров печатных плат в изделии, Нтп.п=1;

Нп.п - количество печатных плат в изделии, Нп.п=1.

Подставляем значения в формулу:

Кпов.п.п.=1-1/1=0

Определяем коэффициент использования типовых технологических операций Кт.п.:

Кт.п.=Нт.п./Нп,

где Нт.п. - количество типовых технологических процессов всех уровней, применяемых для изготовления печатной платы (пайка и изготовление печатной платы) и изделия в целом, Нт.п.=2;

Нп. - количество основных технологических процессов, Нп.=7.

Подставляем значения в формулу:

Кт.п=2/7=0,29

Определяем коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и регулировки Км.к.р.:

Км.к.р.=Нм.к.р./Нк.р,

где Нм.к.р. - количество операций контроля и настройки, которые можно осуществлять механизированным или автоматизированным способом, Нм.к.р.=1;

Нк.р. - общее количество операций контроля и регулировки (контроль ПП и наладка изделия в целом), Нк.р.=2.

Подставляем значения в формулу:

Км.к.р.=1/2=0,5

Определим комплексный показатель технологичности блока К по формуле:

,

где Кi-это частный показатель технологичности конструкции изделия;

i - весовые значения i-го показателя технологичности, i=1;1;0,8;0,5;0,3;0,2;0,1;

s - количество показателей технологичности, участвующих при оценке, s=7.

Подставляем значения в формулу:

К=(0,85•1+0,8•1+0,25•0,8+0,07•0,5+0•0,3+0,29•0,2+0,1•0,5)/3,9=0,51

Так как для серийного производства значение комплексного показателя технологичности лежит в пределах от 0,5 до 0,8 ,то мы видим, что значение рассчитанного показателя технологичности находится в заданных пределах. Из этого следует, что разрабатываемая конструкция двухполярного блока питания является технологичной.

7. Обоснование технологического процесса сборки печатной платы

7.1 Анализ технологичности конструкции

В подразделе 6.7 с помощью показателей технологичности было доказано, что данная конструкция двухполярного блока питания является технологичной, что также говорит о пригодности двухполярного блока питания к промышленному производству, а именно к мелкосерийному типу производства. О технологичности данной конструкции говорит и то, что она является взаимозаменяемой, так как представляет собой разъемную негерметичную конструкцию, в которой возможна замена элементов. Конструкция двухполярного блока питания является технологичной еще и потому, что обладает совокупностью свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонта по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения, при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условий изготовления, эксплуатации и ремонта.

Для обеспечения еще лучшей технологичности необходимо трудоемкость и себестоимость изготовления изделия с помощью следующего комплекса работ:

- повышение серийности посредством стандартизации, унификации и группирования изделий и их элементов по конструктивным признакам;

- ограничение номенклатуры конструкций и применяемых материалов;

- преемственность освоенных в производстве конструкторских решений, соответствующих современным требованиям.

7.2 Разработка технологической схемы сборки печатной платы

Технологическая схема сборки изделий является одним из основных документов, составляемых при разработке одного из процессов сборки. Довольно распространенными схемами сборки являются следующие:

- «веерного типа», которая проста и наглядна, но не отражает последовательность сборки во времени;

- «с базовой деталью», которая указывает временную последовательность сборочного процесса и отличается простотой.

Из вышесказанного выбираем технологическую схему сборки с базовой деталью.

Базовой деталью является плата печатная. На поверхность печатной платы последовательно устанавливаются микросхемы серии К140, резисторы С2-23, диоды, транзисторы, конденсаторы. После установки данных элементов на плату следует операция пайки волной припоя. Далее на плату устанавливаются элементы, которые сразу на плату устанавливать было невозможно. Затем указанные элементы припаивают паяльникам, после чего следует обрезка выводов этих элементов. Потом плата подвергается операциям очистки, маркировки и контроля.

Рациональность разделения объема работ на операции в условиях автоматизированного поточного производства определялась ритмом сборки.

7.3 Разработка технологического процесса сборки печатной платы и выбор оборудования

Технологический процесс состоит из операций, переходов и позиций. Разработка технологических процессов является одной из основных функций технологической подготовки производства, включающей целый комплекс взаимосвязанных работ, и производится при отработке изделия на технологичность. Группирование изделий по конструктивным и технологическим признакам в соответствии с ГОСТ14301-73 является обязательным этапом, предшествующим разработке технологических процессов. Классификация технологических процессов ведется по следующим признакам:

- по методу разработки и применению;

а) единичные;

б) унифицированные групповые;

в) унифицированные типовые;

- по назначению:

а) рабочие;

б) перспективные;

- по степени детализации содержания технологических документов:

а) маршрутные;

б) операционные;

в) маршрутно-операционные;

- по используемому методу обработки материала:

а) процесс литья;

б) электрохимическая обработка и т.д.

Так как разрабатываемый технологический процесс относится к изготовлению изделий одного наименования, типоразмера и исполнения, то по методу разработки и применению он является единичным. Разрабатываемый технологический процесс применяется для конкретного изделия, т.е. для его изготовления в соответствии с требованиями рабочей технической документации, поэтому по назначению он является рабочим. Также технологический процесс разрабатывается для мелкосерийного производства и содержит описание операций и переходов, откуда выясняется, что он является маршрутно-операционным.

Исходными данными для разработки технологического процесса являются:

- технические условия на изделие;

- полный комплект конструкторских документов на изделие;

- программа выпуска изделия;

- плановые сроки освоения производства;

- отраслевые, внутризаводские стандарты в форме ОСТ;

- технические классификаторы деталей и материалов, каталоги и трудовые нормативы на выполнение отдельных операций.

Технологическое оборудование для каждой операции технологического процесса выбиралось с учетом следующих критериев:

- технические характеристики;

- производительность оборудования;

- энергетические затраты;

- габариты оборудования и его компоновка;

- затраты на приобретение и установку оборудования;

- тип производства и его организационная структура;

- организационная форма сборки;

- возможность группирования операций и гибкой переналадки;

- равномерная загрузка технологического оборудования.

Исходя из вышесказанного, было выбрано следующее технологическое оборудование:

- приспособление ГГ1499-4003 для формовки и обрезки выводов резисторов типа С2-23 и диодов;

- полуавтомат для формовки и обрезки выводов микросхемы ГГ2125;

- полуавтомат ГГ2293 для формовки и обрезки выводов транзисторов;

- полуавтомат ГГ2185 для формовки и обрезки выводов конденсаторов типа;

- стол магнитный СМ3;

- комплектовочный стол 10АС-5;

- ванна цеховая для лужения выводов электрорадиоэлементов;

- установка пайки ЛПМ-500;

- установки ультразвуковой очистки УЗО-3,5;

- приспособление для контроля печатных плат ГГ63669/012.

На основании разработанной технологической схемы сборки ПП была разработана маршрутная технология процесса сборки и монтажа двухполярного блока питания, представленная в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Маршрутная технология процесса сборки и монтажа двухполярного блока питания

Операции	Оборудование	Производительность, шт./час	Кол-во
1	2	3	4
Распаковка и проверка электрорадиоэлементов	Специальная тара	-	88
Формовка и обрезка выводов резисторов типа С2-23 и диодов	Приспособление ГГ1499-4003	800	46
Формовка и обрезка выводов микросхем типа К140	Полуавтомат ГГ2125	300	2
Формовка и обрезка выводов транзисторов	Полуавтомат ГГ2293	300	8
Формовка и обрезка выводов, конденсаторов К53-4	Пинцет, бокорезы	-	7
Формовка и обрезка выводов конденсаторов КМ-6	Полуавтомат ГГ2185	300	9
Лужение выводов радиоэлементов с предварительным флюсованием	Цеховая ванна	-	176
Установка микросхем	Пинцет	-	2
Установка транзисторов	Пинцет	-	8
Установка резисторов типа С2-23	Пинцет	-	36
Установка диодов	Пинцет	-	9
Установка конденсаторов типа КМ-6	Пинцет	-	9
Установка конденсаторов типа К53-4	Пинцет	-	7
Пайка плат волной припая	Установка пайки плат ЛПМ-500	300	1
Очистка платы	Установка УЗО - 3,5	750	1
Маркировка платы	Кисть, трафарет		1
Контроль платы	Приспособление ГГ63669/012		1

Разработанный технологический процесс сборки печатной платы является наиболее подходящим для мелкосерийного типа производства, отличается высокой производительностью и обеспечивает изготовление изделий с малыми усилиями и в короткие сроки.

Для данного производства выбрана подвижная форма сборки, которая выполняется при перемещении собираемого изделия от одного рабочего места к другому и применяется в условиях поточного производства. Сборка осуществляется со свободным движением собираемых объектов, перемещаемых от одного рабочего места к другому вручную.

8. Экономическая часть

Экономический прогресс - сложный и многоплановый процесс. Для его оценки одного какого-либо критерия недостаточно, а требуется определить систему, в которой выделяется основополагающий критерий - уровень производительных сил, а он, в свою очередь, развёртывается в системе логически связанных между собой критериев экономического процесса (степень разделения труда, масса прибавочного продукта и так далее), результирующихся в развитии самого человека.

Соотношение между темпами роста продукта и изменением факторов производства может быть разным в зависимости от того, требуется какие-либо типы экономического развития.

Расширение производства занимает сегодня центральное место в экономических дискуссиях и обсуждениях, ведущихся представителями самых разных слоёв общественности. Вопрос об экономическом росте очень важен и для определения перспективы развития республики. Экономический рост непосредственно выражается в той или иной динамике - количественном увеличении и качественном совершенствовании общественного продукта и факторов его производства.

Уровень производительных сил является наиболее общим критерием общественно-экономического процесса. Развитие производительных сил в решающей мере предопределяет поступательное движение общества, способствует или препятствует развитию производительных сил, оценивается его прогрессивность или, наоборот, регрессивность, сигнализирующая о необходимости замены данной системы другой. Этот критерий экономического прогресса обладает огромной познавательной ценностью, но должен быть конкретизован, и уточнен по всем параметрам и составным элементам производительных сил. Его рост отражает оснащение труда человека всё более сложными и технически совершенными машинами.

В самом общем виде уровень развития средств производства характеризуется их производительностью, то есть возможностью работника создавать за единицу времени то или иное качество. Существенной характеристикой уровня развития производственных сил выступает соотношение между материальными и личными факторами производства, между массой применяемых средств производства численно занятых в производстве работников. Это соотношение является техническим строением производства.

Элементная база достаточно простая и является унифицированной, что значительно уменьшает стоимость самого изделия.

Определение себестоимости и рыночной цены.

Себестоимость - затраты предприятия на производство и реализацию продукции. Себестоимость представляет собой часть стоимости продукта труда. Она аккумулирует в себе затраты необходимого труда. Себестоимость и стоимость - две формы издержек производства. Первый показатель - издержки производства предприятия, второй - общества в целом. Аккумулируя текущие затраты себестоимость продукции предприятия является одним из важнейших показателей эффективности производства. В её исчислении находят отражение почти все слагаемые повышения эффективности:

- рост производительности труда;

- экономия материало-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов;

- улучшение использования основных фондов.

Конечный производственно-хозяйственный эффект более полно выражается показателем прибыли, поэтому в нынешних условиях хозяйствования отводится одно из ведущих мест в планировании и оценке деятельности производственных коллективов. Однако значение показателей себестоимости продукции вовсе не уменьшается. Он по-прежнему играет важнейшую роль в экономике предприятия. Во-первых: снижение затрат на единицу продукции позволяет увеличить объём производства на предприятии при имеющихся ресурсах, обеспечив тем самым ускорение оборачиваемости оборотных средств. Во-вторых: снижение себестоимости является существенным источником прибыли производства. В третьих: уменьшение материальных ресурсов в обрабатывающих отраслях способствует экономии капитальных вложений в отраслях добывающей промышленности. В четвёртых: снижение себестоимости продукции является реальной основой снижения оптовых и розничных цен.

В зависимости от объёма затрат на промышленном предприятии различают: цеховую, производственную, полную себестоимость продукции.

Цеховая себестоимость - затраты всех цехов, связанных с изготовлением продукции.

Производственная себестоимость - охватывает расходы предприятия в целом.

Полная себестоимость - содержит затраты предприятия на выпуск и реализацию продукции.

Цена - денежное выражение стоимости товара.

Существуют три вида цен:

- цена предприятия, которая включает в себя стоимость, прибыль, НДС, акцизы и отчисления во внебюджетный фонд регулирования розничных цен;

- оптовая цена - состоит из цены предприятия, сбытовых наценок оптовых организаций, налога на стоимость, добавленную оптово-сбытовыми базами;

- розничная цена - включает оптовую цену, торговые наценки различных торговых организаций.

Наиболее точные расчёты по обоснованию себестоимости производства обеспечивает расчётно-аналитический метод. В основе применения данного метода лежит использование системы норм и нормативов расхода тех или иных ресурсов с учётом калькуляционных статей себестоимости:

- сырьё и основные материалы;

- покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты;

- топливо и энергия на технологические цели;

- основная заработная плата;

- дополнительная заработная плата;

- отчисления на социальное страхование;

- расходы на подготовку и освоение производства;

- износ инструмента и приспособлений целевого назначения;

- расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

- цеховые расходы;

- общезаводские затраты;

- потери от брака;

- прочие производственные расходы;

- внепроизводственные расходы.

8.1 Характеристика изделия

При проведении экспериментов, макетировании различных узлов радиоэлектронных устройств у радиолюбителя нередко возникает потребность в источниках питания на самые различные напряжения и токи. Вот почему двухполярный блок питания, предназначенный для использования в домашней мастерской, должен быть в определенной степени универсальным: иметь широкие пределы регулирования выходного напряжения, обеспечивать достаточно большой ток нагрузки. Разумеется, в нем должна быть предусмотрена и защита от коротких замыканий цепи нагрузки. Кроме того, в настоящее радиоустройство часто питают от двух источников с общим выводом, причем порой требуется синхронно изменять напряжение обоих источников. Всем этим требованиям удовлетворяет двухполярный блок питания с защитой от короткого замыкания.

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

Технические характеристики блока:

- напряжение питания 220 В/50 Гц;

- выходное напряжение каждого плечаот 0 до 40 В;

- максимальный ток нагрузки 1 А;

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

- коэффициент стабилизации…2500;

- время срабатывания защитного устройства…40 мкс;

8.2 Исходные данные для расчета

Таблица 8.1 Расчет затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты

Наименование	Количество	Цена за единицу	Сумма
1	2	3	4
С2-23 СП3-П1 СП3-1А КМ-6 К53-4 Д220А КС168А КД202В Д814Д	36 2 4 8 7 1 1 4 2	60 1390 1390 700 730 100 40 205 70	2160 2780 5560 720 5110 100 40 820 140
1	2	3	4
Д818Е ТС60-2 11П2НПМ П2К ТП1-2 К140УД1Б КТ837А КТ814В КТ503Д КТ361Д КТ601А	2 1 1 4 1 2 2 1 2 2 1	490 10000 4000 3450 925 505 360 155 55 50 2350	980 10000 4000 13800 925 1010 720 155 110 100 2350
Ск1			58060
Т3			2900
Ск			60960

Затраты на сырьё и материалы (Рм) рассчитываются в отдельной таблице 8.2 по формуле (8.1)

где i..n - количество видов материала;

Hmi - норма расхода материала i-го вида на одно изделие в принятых единицах измерения;

Уmi - оптовая цена единицы i-го вида материала, руб.;

Кmр - коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы приобретенных материалов (для изделий радиоэлектронной промышленности коэффициент Кmр можно принять равным 1...5% от прейскурантной стоимости материалов).

Таблица 8. 2 Расчет затрат на сырье и основные материалы

Наименование материала	Ед.изм.	Норма расхода на изделие	Цена за единицу	Сумма
1 Стеклотекстолит	кг	0,16	22000	3520
2 Припой ПОС-61	кг	0,069	23000	1590
3 Флюс ФЗ	кг	0,0184	11000	2025
4 Спирт этиловый технический	л	0,0184	3000	55
5 Лак УР321	кг	0,015	7500	115
6 Хлорное железо	кг	0,015	8780	130
7 Краска маркировочная	кг	0,2	4000	800
Итого			См1	8235
Транспортно-заготовительные расходы, 5% от См1.			ТЗ	410
Всего (См1+ТЗ)			См	8645

8.3 Расчет заработной платы работающих

Основная заработная плата производственных рабочих рассчитывается по формуле:

где t (шт) - трудоемкость выполнения операции і-го разряда, н./ час.

Сmі - часовая тарифная ставка рабочего і-го разряда .

n- количество технологических операций.

Расчет часовой тарифной ставки соответствующей і-му разряду работ осуществляется по формуле

Сmi =Cт1 * Ктi

где Cт1- часовая тарифная ставка первого разряда, которая определяется делением месячной ставки первого разряда (согласно действующему законодательству на момент расчета) на количество часов работы в месяц (167 часов). Часовая тарифная ставка может быть увеличена в 1,1=1,9 раза, если предприятие располагает соответствующими ресурсами.
Ктi - тарифный коэффициент соответствующий і-му разряду.

Таблица 8.3 Расчет заработной платы производственных рабочих по разрабатываемому изделию

Наименование операции	Разряд работ	Трудоем-кость операции	Часовая тарифная ставка	Сумма в руб.
Заготовительные	4	0,2	474	94,8
Обрабатывающие	4	0,4	474	189,6
Сборка	5	0,3	546	163,8
Монтаж	5	0,53	546	289,3
Регулировка	6	0,15	600	90
Итого Рз1				827,5
Премия (20% от Рз1) Рп				165
Всего: Рз1+ Рп , ЗП				992,5
Дополнительная заработная плата 10% от ЗП; Рд				100

Таблица 8.4 Расчет заработной платы производственных рабочих по заменяемому изделию

Должность	Количество работников (РС), чел	Месячный оклад (МО) руб.	Заработная плата за год, руб. (МО * РС *12)
Рабочие	4	79160	3799680
Технические исполнители	4	91290	4381920
Специалист	1	100270	1203240
Итого:			9384840

Содержание аппарата управления цеха (АУП) и вспомогательных рабочих (ВР)

В соответствии со штатным расписанием годовой фонд заработной платы аппарата управления составит ЗПС руб. 11529480 руб.

Коэффициент, учитывающий увеличение планового фонда заработной платы за счет доплат может быть принят равным 1,2

АУП = ЗПС * 1,2 (руб) = 11529480 * 1,2 = 13835376 (руб)

Фонд заработной платы вспомогательных рабочих повременщиков определяется по формуле:

ЗПвсп = Сmi * Т * k (руб) = 474 * 2039 * 1 = 966486 (руб.)

Дополнительная заработная плата (Рд) с...