95055

Процесс проектирования пульта управления зональной коммутации

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Техническое задание Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции Анализ климатических факторов Анализ дестабилизирующих факторов Выбор и обоснование элементной базы, установочных изделий и материалов конструкции Выбор и обоснование элементной базы...

Русский

2015-09-19

559 KB

3 чел.

PAGE  4

                                                   АННОТАЦИЯ

В данной работе описан процесс проектирования пульта управления зональной коммутации. Заострено внимание на использованной элементной базе и материалах конструкции; обоснована выбранная компоновочная схема. Описаны способы герметизации и виброзащиты данного изделия,  приведены основные расчеты конструктивно-технологических параметров, механической прочности, полный расчет надежности и электромагнитной совместимости. Подробно описана технология проектирования с применением современных САПР: AutoCAD 2004 и PCAD 2002.

В приложении дан весь необходимый графический материал.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Техническое задание

2. Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции

2.1 Анализ климатических факторов

2.2 Анализ дестабилизирующих факторов

3. Выбор и обоснование элементной базы, установочных изделий и материалов конструкции

3.1 Выбор и обоснование элементной базы

3.1.1 Выбор конденсаторов

3.1.2 Выбор резисторов

3.1.3 Выбор микросхем

3.1.4 Выбор транзисторов

3.2 Выбор унифицированных узлов, установочных изделий и материалов

4. Выбор и обоснование компоновочной схемы, методов и принципов конструирования

4.1. Выбор и обоснование компоновочной схемы

4.2. Выбор и обоснование методов и принципов конструирования

5. Выбор способов и средств теплозащиты, герметизации, виброзащиты и экранирования

5.1. Выбор способов и средств теплозащиты

5.2. Выбор способов и средств герметизации

5.3. Выбор способов и средств виброзащиты

5.4. Выбор способов и средств экранирования

6. Расчет конструктивных параметров изделия

6.1. Компоновочный расчет блоков

6.2. Расчет теплового режима

6.3. Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы. Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

6.4. Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

6.5. Полный расчет надежности

7. Обоснование выбора средств САПР

Выводы

Литература

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

   Пожар – нежелательное горение полезных вещей, как правило, большого размера. Пожар – это большое горе для человека. Для того чтобы не произошло этой трагедии необходимо руководствоваться правилами пожарной безопасности, а для защиты материальных ценностей нужно использовать систему пожарной сигнализации.

Система пожарной сигнализации — совокупность технических средств, предназначенных для обнаружения факторов пожара, формирования, сбора, обработки, регистрации и передачи в заданном виде сигналов о пожаре, режимах работы системы, другой информации и, при необходимости, выдачи сигналов на управление техническими средствами противопожарной защиты, технологическим, электротехническим и другим оборудованием.

Целью данного проекта  является разработка пульта управления зональной коммутацией, предназначенного для работы в составе систем управления оповещением и эвакуацией типа СО3 – СО5 совместно с прибором управления «Танго-ПУ/БП-**».

В курсовом проекте описана конструкция пульта управления зональной коммутацией. Также  подробно описывается выбор элементной базы и материалов, производится компоновочный расчет, разрабатывается конструкция печатной платы, оценивается ее помехоустойчивость, виброзащищенность и устойчивость к механическим воздействиям, проводится расчет надежности и электромагнитной совместимости, разрабатывается комплект технологической документации.

Проектирование изделия ведется с использованием современных систем автоматизированного проектирования (САПР).    

1 Техническое задание

1.1 Наименование работы

1.1.1 Пульт управления зональной коммутацией.

 

1.2 Основание для выполнения ОКР

1.2.1 Настоящая работа выполняется на основании учебного плана кафедры РЭС.

1.2.2 Начало ОКР: 01.09.06.

        Окончание ОКР: 14.12.06.

1.3 Исполнители ОКР

1.3.1 Исполнитель: Михайловский Дмитрий Николаевич

1.4 Изготовитель

1.4.1 Изготовитель: Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.

1.5 Цель и назначение работы.

1.5.1 Целью работы является создание устройства (пульта) управления зональной коммутацией, предназначенного для приема управляющих команд от прибора управления и передачу на прибор необходимой информации по цифровой линии передачи данных.

1.5.2 Прибор должен полностью удовлетворять требованиям ГОСТ 22261-82

1.6 Технические требования

1.6.1 Состав изделия и требования к конструктивному исполнению устройства

1.6.1.1 Состав комплекта приведён в таблице 1.

Таблица 1 – состав комплекта пульта управления зональной коммутацией

Наименование

Количество

Назначение

1. Пульт управления зональной коммутацией

1

Предназначен для управления элементами систем оповещения и эвакуации в двух независимых зонах

2. Комплект эксплуатациионной документации

        1

Обеспечение правильной эксплуатации и обслуживания изделия

3. Комплект ЗИП

        1

Обеспечение эксплуатации и ремонта пульта управления зональной коммутацией

Состав комплекта прибора уточняется на стадии разработки рабочей документации.

1.6.1.2 При конструировании пульта управления зональной коммутацией должны выполняться требования действующих в отрасли стандартов нормативно-технических документов по стандартизации (НТДПС).

  1.  Конструктивно пульт управления зональной коммутацией должен быть выполнен в корпусе с габаритами не более 175х15х40 мм.

1.6.1.4  Конструкция устройства должна обеспечить удобный доступ к элементам и составным частям, требующим регулировки их и смены в процессе эксплуатации, а так же возможность замены сменных элементов и составных частей.

1.6.1.5 Материалы и полуфабрикаты, комплектующие изделия, должны применяться  по действующим стандартам и техническим условиям на них.

1.6.1.6 Масса пульта управления зональной коммутацией не должна превышать 1,2 кг.

1.6.1.7 Конструкция пульта управления зональной коммутацией должна обеспечивать возможность автоматизации контрольных и регулировочных операций, а так же автоматизацию сборочно-монтажных работ.

  Конструкция и электрическая схема печатных плат и узлов печатных плат должны обеспечивать возможность их автоматизированного контроля с помощью автоматизационной системы контроля печатных плат.

1.6.2   Требования к параметрам и характеристикам.

1.6.2.1  Пульт управления зональной коммутацией должен потреблять ток в дежурном режиме не более 80мА, в режиме управления, без учета тока потребления нагрузок - не более 160мА;

1.6.2.2 Используемое напряжение питания - (21-28)В;

1.6.2.3 Максимальный коммутируемый ток каждой линии управления – 5А;

1.6.2.4 Количество дискретных входов запуска от приборов пожарной сигнализации (ППКП) – 2;

1.6.2.5 Количество выходов трансляции речевого сигнала - 4;

1.6.2.6 Длительность фонограммы, содержащей спецтекст – 16с;

1.6.2.7 Воспроизведение фонограммы – циклически непрерывное;

1.6.2.8 Шлейфов контроля источника питания - 1(«КИП»);

1.6.2.9 Выход, сигнализирующий о наличии сигнала «запуск» («пожар») – 1;

1.6.2.10 Подключение прибора управления для приема и передачи управляющих команд – двухпроводная линия, интерфейс RS485;

1.6.2.11 Линия трансляции речевого сигнала между зональным коммутатором и прибором управления – двухпроводная;

1.6.2.12 Количество линий подключения вызывных устройств – 2;

1.6.2.13 Максимальное количество вызывных устройств, подключаемых на каждую линию – 5;

1.6.2.14 Линия передачи речевого сигнала зоны оповещения с диспетчерской между прибором управления и зональным коммутатором – двухпроводная;

1.6.3   Требования к надёжности.

1.6.3.1 Устройство по обеспечению надёжности должно удовлетворять требованиям к надёжности по ГОСТ 27.003-90.

1.6.3.2  Средняя наработка на отказ 20000 часов.

1.6.4  Эстетические и эргономические требования.

1.6.4.1 Требования по технической эстетике и эргономике должны соответствовать ОСТ 4.270.000-83.

1.6.5  Требования к патентной частоте.

1.6.5.1 По схемным и конструктивным решениям пульт управления зональной коммутацией должен обладать патентной чистотой относительно ведущих стран в данной отрасли техники. Выполнение и обоснование требований патентной чистоты и патентоспособности производить на стадии разработки рабочей документации.

1.6.6 Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию.

1.6.6.1  Условия эксплуатации по ГОСТ 303-79, группа – вторая;

1.6.6.2 Требования к климатическим условиям по ГОСТ 15150-69 УХЛ 1.1.

1.6.6.3  Диапазон рабочих температур от +5оС до +40оС.

1.6.7  Требования к упаковке и маркировке.

16.7.1 Требования к упаковке и маркировке должны соответствовать ГОСТ 28594-90.

1.6.8 Требования к транспортированию и хранению.

1.6.8.1 Пульт управления зональной коммутации в упакованном виде должен допускать перевозку всеми видами транспорта в соответствии с ГОСТ 22261-82.

1.6.8.2 Пульт управления зональной коммутации в упакованном виде должно храниться при температуре воздуха от +5оС до +40оС и относительной влажности до 80% при температуре 25оС в соответствии с ГОСТ 22261-82.

1.7  Требования безопасности.

1.7.1 По требованиям, обеспечивающим электробезопасность эксплуатации, пульт управления зональной коммутации должен соответствовать требованиям ГОСТ 26104-84, класс защиты - второй.

1.8  Технико-экономические показатели.

1.8.1 Ориентировочная цена реле времени цифрового - 25000 руб.

1.8.2 Предполагаемая годовая потребность в устройстве -  1000 шт.

2 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ  К  РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ

2.1 Анализ климатических факторов

Изделия должны сохранять свои параметры в пределах норм, установленных техническими заданиями, стандартами или техническими условиями в течение сроков службы и сроков сохраняемости, указанных в техническом задании после или в процессе воздействия климатических факторов, значения которых установлены ГОСТ 15150-69.

Изделия предназначают для эксплуатации в одном или нескольких  макроклиматических районах и изготавливают в различных климатических исполнениях.

Разрабатываемое устройство предназначено для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатами.

К макроклиматическому району с умеренным климатом относятся районы, где средняя из абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже + 40 С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше - 45 С.

К макроклиматическому  району с холодным климатом относятся районы, в которых средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха ниже - 45 С.

Для климатической области использования реле времени цифрового  наиболее подходит климатическое исполнение УХЛ.

Следует отметить, что изделия в исполнении УХЛ могут эксплуатироваться в теплом влажном, жарком сухом и очень жарком сухом климатических районах по ГОСТ 16350-80, в которых средняя из ежегодных абсолютных  максимумов  температура  воздуха  выше  40 С, и сочетание температуры, равной или выше О С, и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается более 1 часов в сутки за непрерывный период более двух месяцев в году.

Изделия в различных климатических исполнениях в зависимости от  места размещения при эксплуатации в воздушной среде на высотах до 4300 м изготавливают по категориям размещения изделий.

Разрабатываемый пульт управления зональной коммутации предназначен для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, ветра, песка, пыли наружного воздуха, отсутствие или существенное уменьшение воздействия  рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги), а конкретнее - в лабораторных, капитальных жилых и других подобного типа помещениях, а так же кратковременно в иных типах помещений, не попадающих под вышеописанные. Таким образом, пульт управления зональной каммутацией будет изготавливаться по категории исполнения 1.1.

Нормальные  значения  климатических  факторов внешней среды при эксплуатации изделий принимают равными следующим значениям:

  •  верхнее рабочее значение температуры окружающего воздуха

при эксплуатации, С                                                                               +30;                                                                       

  •  нижнее рабочее значение температуры окружающего

воздуха при эксплуатации, С                                                   -20;

  •  верхнее предельное рабочее значение температуры

окружающего воздуха при эксплуатации, С                              +50;

  •  нижнее предельное рабочее значение температуры

окружающего воздуха при эксплуатации, С                               -40;

  •  величина изменения температуры окружающего воздуха за 8 ч., С        -60;
  •  верхнее  значение относительной влажности при 25 С, %                              95;   
  •  среднегодовое значение относительной влажности при 20С, %            80;
  •  рабочее  значение  атмосферного давления, кПа                                        96.

Указанное верхнее значение относительной влажности воздуха нормируется также при более низких температурах; при более высоких температурах относительно влажность ниже.

Так как нормированное  верхнее значение относительной влажности 95%, то конденсация влаги не наблюдается.

За нормальные значения факторов внешней среды при испытаниях изделия (нормальные климатические условия испытаний) принимаются следующие:

  •  температура, С                            +2030;
  •  относительная влажность воздуха, %                45...90;
  •  атмосферное давление, Па                                  90.

Так как пульт управления зональной коммутацией предназначен для работы в нормальных условиях, в качестве номинальных значений климатических факторов указанные выше принимают нормальные значения климатических факторов указанные выше.

За эффективную температуру окружающей среды (при тепловых расчетах) принимается максимальное значение температуры.

За эффективное значение давления воздуха принимается среднее значение давления.

Группа условий эксплуатации по коррозионной активности для металлов и сплавов без покрытий, а также с неметаллическими и неметаллическими неорганическими покрытиями - 1.

Условия хранения изделий определяются местом их размещения, макроклиматическим районом и типом атмосферы и характеризуется совокупностью климатических факторов, воздействующих при хранении на упакованные или законсервированные изделия. Согласно ГОСТ 15150-89, для проектируемого изделия удовлетворительными являются условия хранения в отапливаемых и вентилируемых складах, хранилищах с кондиционированием воздуха, расположенных в любых макроклиматических районах.

Обозначения такого хранилища: основное - 1, буквенное - Л, текстовое “отапливаемое хранилище”. Климатические факторы, характерные для данных условий хранения:

  •  температура воздуха, С                                 -10...+40;
  •  максимальное значение относительной влажности

воздуха при +5 С, %                                              90;

  •  среднегодовое  значение  относительной  влажности

воздуха при 20 С, %                           70;

  •  пылевое загрязнение незначительно;
  •  действие  солнечного излучения,  дождя, плесневых грибков отсутствует.

Условия транспортирования  данного изделия являются такими же, как и условия хранения. Транспортировка осуществляется в закрытых транспортных средствах, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе.

Климатические факторы, характерные для данных условий транспортировки:

  •  температура воздуха, С                                           -10...+40;
  •  максимальное значение относительной влажности

воздуха при -50 С, %                         100;

  •  среднемесячное значение влажности воздуха при 27 С, %           60;
  •  пылевое загрязнение незначительно.

 2.2 Анализ дестабилизирующих факторов

Разрабатываемое устройство относится к категории  1 (условия эксплуатации - в лабораторных, капитальных жилых и других подобных помещениях, а так же кратковременно в условиях всех других категорий).

На аппаратуру этой группы действуют следующие дестабилизирующие факторы:

- синусоидальные вибрации;

- различные механические воздействия при транспортировке;

- пониженная и повышенная температура среды;

- повышенная влажность воздуха;

- воздействие пыли.

Для того чтобы выяснить, как поведет себя аппаратура при воздействии этих факторов, а также для проверки соответствия её установленным в техническом задании требованиям, проводят испытания аппаратуры на воздействие внешних механических и климатических факторов.

Испытания, проводимые для данной группы аппаратуры и значения механических и климатических факторов, которые она должна выдерживать, указаны в ГОСТ 11478-88.

При испытании на воздействие пониженной температуры среды и повышенной влажности в ТЗ на аппаратуру допускается по согласованию с заказчиком устанавливать значения  рабочей пониженной температуры и относительной влажности, отличное от указанных в ГОСТ 11478-88.

Испытания рекомендуется проводить на одних и тех же образцах аппаратуры в следующей последовательности:

- механические испытания;

- испытание на воздействие повышенной температуры среды;

- испытание на воздействие повышенной влажности;

- испытание на воздействие пониженной температуры среды.

Испытания на воздействие пыли и на прочность при падении рекомендуется проводить на образцах аппаратуры, которые не подвергались испытаниям других видов.

Испытание включает следующий ряд операций, проводимых последовательно:

- начальная стабилизация (если требуется);

- начальные проверки и начальные измерения (если  требуется);

- выдержка;

- конечная стабилизация (если требуется);

- заключительные проверки и измерения (если требуется).

До и после  испытания значения параметров  и  характеристик должны  соответствовать требованиям для нормальных климатических условий, установленных в стандартах на аппаратуру.

Аппаратуру считают выдержавшей испытание, если:

-  не нарушена сохранность внешнего вида;

- после испытания характеристики и параметры аппаратуры соответствуют    требованиям,  установленным в стандартах или ТУ на аппаратуру и в ПИ для испытаний данного вида.

3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ, УНИФИЦИРОВАННЫХ УЗЛОВ, УСТАНОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Выбор и обоснование элементной базы

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом требований изложенных в техническом задании. Эксплуатационная надежность элементной базы во многом определяется   правильным выбором типа элементов при проектировании и использовании в режимах, не превышающие допустимые. Следует отметить, что ниже рассматриваются допустимые режимы работы и налагаемые при этом ограничения в зависимости от воздействующих факторов лишь с точки зрения  устойчивой работы самих элементов, не касаясь схемотехники и влияния параметров описываемых элементов на другие элементы.

Влияние Э.Д.С. шумов, коэффициентов нелинейности, паразитных емкости и индуктивности и др., должны учитываться дополнительно исходя из конкретных условий применения.

Критерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:

а) технические параметры:

  •  номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схеме устройства;
  •  допустимые отклонения величин ЭРЭ от их номинального значения;
  •  допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;
  •  допустимое рассеивание мощности ЭРЭ;
  •  диапазон рабочих частот ЭРЭ;
  •  коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

б) эксплуатационные параметры:

  •  диапазон рабочих температур;
  •  относительная влажность воздуха;
  •  давление окружающей среды;
  •  вибрационные нагрузки;
  •  другие (специальные) показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются:

  •  унификация ЭРЭ;
  •  масса и габариты ЭРЭ;
  •  наименьшая стоимость;
  •  надежность.

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

  •  Значительно сократить сроки и стоимость проектирования.
  •  Сократить на предприятииизготовителе номенклатуру применяемых деталей и сборочных единиц, увеличить применяемость и масштаб производства.
  •  Исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта РЭС, т.е. упростить подготовку производства.
  •  Создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятий.
  •  Улучшить эксплуатационную и производственную технологичность.
  •  Снизить себестоимость выпускаемого изделия.

Учитывая вышесказанное, перейдем к выбору элементной базы

3.1.1 Выбор конденсаторов

Конденсатор GRM 42-6

Конденсаторы типа GRM 42-6 с неорганическим диэлектриком, низковольтовые. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и  импульсного тока. Конструктивно конденсаторы выполнены по варианту 2в.

Допустимые воздействующие факторы при эксплуатации:

Температура окружающей среды, С

верхнее значение                        85;

нижнее значение                        -60;

Относительная влажность воздуха, %, не более,

при температуре +25С (исп. УХЛ)                          98;

Пониженное атмосферное давление, Па (мм рт. ст.)                      0,00013 (10-6).

Основные технические данные

Тангенс угла потерь: GRM 42-6                                 0,035;

Сопротивление изоляции, МОм: GRM 42-6                             1000;

Постоянная времени, МОм•мкФ: GRM 42-6                                 75;

Срок сохраняемости, лет                           12;

Допускаемая реактивная мощность, ВАР: GRM 42-6                                 0,06...2;

3.1.2 Выбор резисторов

Резистор Samsung RC3216J

Резисторы типа Samsung RC3216J с металлоэлектрическим проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Относятся к неизолированным резисторам.

    Уровень собственных шумов, мкВ/В, не более                                1,5.

Условия эксплуатации резисторов:

Температура окружающей среды,С

верхнее значение                            +75;

нижнее значение                         -60;

Относительная влажность окружающего воздуха при температуре 40 С, %         98;

Пониженное атмосферное давление, Па (мм рт.ст.)                      0,00013 (10-6);

Вибрация:

ускорение, м/c2, (g)                           147(15);

диапазон частот, Гц                             5...600;

Удары:

ускорение, (g), не более                        150;

количество                        4000;

Линейные нагрузки:

с ускорением, (g), не более              200;

Минимальная наработка на  отказ, ч                            40000.

3.1.3 Выбор микросхем

Микросхема MC33063

Микросхема представляет собой 4-х разрядный двоичный счётчик. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 3.1. Электрические характеристики приведены в таблице 3.2.

Микросхема RS485

Микросхема  представляет собой 4 элемента 2И-НЕ. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 3.1. Электрические характеристики приведены в таблице 3.2.

Микросхема PQFT PIC 16F777I/PT

Микросхема представляет 3 элемента 3И-НЕ. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 3.1. Электрические характеристики приведены в таблице 3.2.

Микросхемы IW4520BD

Микросхемы представляют собой десятичные счётчики-делители. Эксплуатационные характеристики приведены в таблице 3.1. Электрические характеристики приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.1 - Эксплуатационные характеристики микросхем

Тип микросхемы

Интервал рабочих температур, С

Относительная влажность воздуха 98% при температуре, С

Вибрация

1 Диапазон частот, Гц

2 Ускорение, g

Многократные удары с ускорением g

Линейная нагрузка с ускорением  g

MC33063

-45...+85

25

1…2000

10

75

50

RS485

-45...+70

25

1…600

10

75

50

PQFT PIC 16F777I/PT

-45...+70

25

1…600

10

75

50

IW4520BD

-45...+85

25

1…2000

10

75

50

               Таблица 3.2 - Электрические характеристики микросхем

Тип микросхемы

U0вых, не>, В

U1вых, не <, B

I0вх, не>, мА

I1вх, не>, мА

I1пот, не>, мА

t1,0зд.р, не>, нс

t0,1зд, не>, нс

MC33063

0,5

2,7

-0,4

0,02

20

56

45

RS485

0,4

2,5

-0,2

0,02

10

8

8

PQFT PIC 16F777I/PT

0,4

2,5

-0,2

0,02

10

8

8

IW4520BD

0,5

2,7

-0,4

0,02

20

56

45

3.1.4 Выбор  транзисторов.

Транзистор КТ3130A9

Граничная частота при Vкб=5В, Iэ=10мА                                               не менее 300МГц

Постоянное напряжение Vкэ при Rэб<3кОм                                                                  15В

Постоянный ток коллектора                                         30мА

Температура окружающей среды                         от 213 до 398К

Рассеиваемая мощность при Т=213...338К, р<665Па                        150мВт

     при Т=398К                                                       60мВт

Транзисторы КП784А

Граничная частота при Vкб=5В, Iэ=15мА                                               не менее 300МГц

Постоянное напряжение Vкэ при Rэб<3кОм                                                                  15В

Постоянный ток коллектора                                         30мА

Температура окружающей среды                         от 200 до 395К

Рассеиваемая мощность при Т=213...338К, р<665Па                        130мВт

     при Т=398К                                                       60мВт

3.2 Выбор унифицированных узлов, установочных изделий и материалов

Выбор унифицированных узлов и установочных изделий проводим на основании одного из требований технического задания к уровню унификации и стандартизации. На основании вышесказанного основное предпочтение отдается стандартизированным изделиям крепежа - все крепежные изделия стандартны.

Выбор материалов разрабатываемой конструкции проводим согласно требований, изложенных в техническом задании. Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

иметь малую стоимость;

легко обрабатываться и быть легкими;

обладать достаточными прочностью и жесткостью;

внешний вид материалов корпуса, лицевой и задней панелей должны отвечать требованиям технической эстетики;

сохранять 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. Изготовление деталей конструкции типовыми технологическими процессами также позволяет снизить затраты при серийном выпуске изделий в промышленности.

Для изготовлении элементов несущих конструкций пульта управления зональной коммутацией будем использовать углеродистую сталь, обладающий такими свойствами как хорошая диэлектрическая проницаемость, химическая и водостойкость, хорошие антикоррозийные свойства, хорошая окрашиваемость, не плохая термостойкость и ударопрочность.  Поэтому ГОСТ 15150-69 рекомендует данный материал для изготовления корпусных и электроизоляционных деталей.

Материал для изготовления печатной платы должен иметь следующие показатели (в заданных условиях эксплуатации РЭС): большую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, обладать химической стойкостью к действию химических растворов, используемых в техпроцессах изготовления платы. Для изготовления плат общего применения в РЭС наиболее широко используется стеклотекстолит. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный на основе ткани из стеклянного волокна, пропитанной термореактивным связующим на основе эпоксидной смолы, и облицованный с одной стороны медной электролитической оксидированной или гальваностойкой  фольгой (изготавливают листами толщиной: до 1 мм - не менее 400х600мм; от 1,5 и более - не менее 600х700мм). Вышесказанным требованиям полностью соответствует стеклотекстолит фольгированный (СФ 2-35 ГОСТ 10316-78), предназначенный для изготовления печатных плат с повышенными диэлектрическими свойствами.

4 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ, МЕТДОВ И ПРИНЦИПА КОНСТРУИРОВАНИЯ

4.1 Выбор и обоснование компоновочной схемы

Основная компоновочная схема изделия определяет многие важнейшие характеристики РЭС: габариты, вес, объем монтажных соединений, способы защиты от полей, температуры, механических воздействий, ремонтопригодность.

Различают три основные компоновочные схемы РЭС:

централизованная;

децентрализованная;

централизованная с автономными пультами управления.

Каждая из этих схем обладает своими достоинствами и недостатками.

При централизованной компоновке все элементы сложной системы располагаются в одном отсеке на специальных этажерочных конструкциях или шкафах, длина и количество межблочных соединений сведены к минимуму, ремонт и демонтаж наиболее удобны, легче выполнить качественные системы охлаждения и амортизации. Такая компоновочная схема требует более тщательной экранировки, вызывает затрудненность компоновки изделия, часто требующей доработки его, обладает относительно меньшей надежностью систем охлаждения, герметизации, виброзащиты.

Децентрализованная компоновочная схема обеспечивает относительно большую легкость размещения элементов изделия на объекте, не требуется тщательная экранировка отдельных блоков, при соответствующих схемных решениях может быть более надежной, сохраняя частичную работоспособность при выходе из строя отдельных элементов изделия. Недостатком является значительная длина межблочных соединений, затруднен полный демонтаж системы, для каждого отдельного блока необходимо предусматривать автономные системы охлаждения, виброзащиты.

Для пульта управления зональной коммутацией будем использовать наиболее распространённый способ централизованной компоновки, при котором все элементы сложной РЭС, кроме входных и управляющих устройств, располагают в одном участке или отсеке прибора.

4.2 Выбор и обоснование метода и принципа

конструирования

На основе проведенного разбиения электрической схемы и анализа существующих конструкций проведём выбор метода конструирования устройства в целом и его частей. Существующие методы конструирования РЭС классифицируются по трём признакам:

- по видам связей между элементами;

- по способу выявления и организации структуры связей между элементами;

- по степени автоматизации конструирования РЭС - зависит от назначения аппаратуры и ее функций, преобладающего вида связей, уровня унификации, автоматизации и т.д.

Опишем кратко основные методы конструирования РЭС.

Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между  деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств твердого тела.

Машиностроительный метод. В основу этого метода конструирования положена структура механических связей между элементами, представляющая собой систему опорных поверхностей.  Машиностроительный метод используется для конструирования устройств и элементов РЭА, которые несут большие механические нагрузки и  в  которых  неизбежны  вследствие  этого большие деформации .

Топологический метод. В основу  метода положена структура физических связей между ЭРЭ. Топологический метод, в принципе, может применяться для выявления структуры любых связей, однако конкретное его содержание проявляется там,  где связности элементов может быть сопоставлен граф .

Метод проектирования моноконструкций. Основан на минимизации числа связей в конструкции,  он применяется для создания функциональных узлов, блоков, РЭА на основе оригинальной  несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами .

Базовый (модульный) метод конструирования. В основу  метода  положен модульный принцип проектирования. Деление базового метода на разновидности связано с  ограничениями, схемной конструкторской унификацией структурных уровней (модулей функциональных узлов, блоков). Базовый метод  является  основным при проектировании современной РЭА, он имеет много преимуществ по сравнению с методом моноконструкций:

- на этапе разработки позволяет одновременно  вести  работу над  многими  узлами  и блоками,  что сокращает сроки проведения разработок, сокращает  объем оригинальной конструкторской документации, дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции, упрощает и ускоряет внесение изменений в схему,  конструкцию и конструкторскую документацию;

- на  этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников;  снижает стоимость аппаратуры благдаря широкой механизации и автоматизации  производства; повышает степень специализации производства;

- при  эксплуатации  повышает  эксплуатационную  надежность РЭА, облегчает обслуживание, улучшает ремонтопригодность аппаратуры.

При компоновке должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость, стабильность, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта. Размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объема с удобным доступом для осмотра, ремонта и замены. Замена детали или сборочной единицы не должна приводить к разборке всей конструкции или ее составных частей. Для устойчивого положения изделия в процессе эксплуатации центр тяжести должен находиться, возможно, ближе к опорной поверхности. При компоновке модулей всех уровней необходимо выделить достаточно пространства для межсоединений.

При проектировании необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

  1.   минимальный внутренний радиус изгиба проводника должен быть не менее диаметра провода с изоляцией;
  2.   провода питания переменного тока следует свивать для уменьшения возможности наводок;
  3.   провода, подводящие к сменным элементам должны иметь некоторый запас по длине, допускающий повторную заделку провода;
  4.   провода не должны касаться острых металлических кромок;
  5.   монтажные провода целесообразно связать в жгут, при этом обеспечивается возможность расчленения монтажных операций на более простые.

Для разъемного варианта конструкции большое распространение получило использование объединительной печатной платы, что позволяет существенно уменьшить габаритные размеры изделия, упростить сборку.

При компоновке РЭС необходимо решать вопросы электромагнитной совместимости элементов, в частности, защиты от электромагнитных, электрических и магнитных помех.

При защите РЭС от воздействий помех, определяют максимальное значение сигналов помехи на выходах схем, усложняют схему введением фильтров на линиях входа-выхода, устраняют помехи по линиям электропитания с помощью радиочастотных фильтров, экранируют входные цепи чувствительных схем, для элементов РЭС разрабатывают кожухи-экраны.

В качестве метода конструирования пульта управления зональной коммутации выбираем базовый (модульный) метод конструирования.

Конструкция пульта управления представляет собой функционально законченный узел. Все радиоэлементы размещены на печатной плате, которая связана с органами управления проводами. Провода из-за их достаточно короткой длины не целесообразно связывать в жгут, но этой длины должно быть достаточно для ремонта и повторного монтажа. Так же особенной чертой в данной конструкции является наличие одной крышки, которая предназначена как для ремонта изделия, так и для защиты печатной платы от механических воздействий.

Для увеличения помехозащищённости применяется дополнительная металлизация по всему периметру платы, а также сама конструкция корпуса исключает влияние излучений, как внешних, так и внутренних.

5 ВЫБОР СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ТЕПЛОЗАЩИТЫ, ГЕРМЕТИЗАЦИИ, ВИБРОЗАЩИТЫ И ЭКРАНИРОВАНИЯ.

5.1 Выбор способов и средств теплозащиты.

На температурный режим РЭА влияют два основных фактора:

1) температура окружающей среды;

2) температура нагрева отдельных элементов радиосхемы в процессе работы.

Первый фактор определяется климатическими условиями, в которых эксплуатируется РЭА.

Второй же фактор обусловлен режимом работы отдельных радиоэлементов и объясняется следующим образом: токонесущий элемент, обладающий  активным сопротивлением, при прохождении по нему тока выделяет каждую секунду определённое количество теплоты. При наличии большого количества активных радиоэлементов величина выделяемой теплоты может достигать приличных величин.

Именно поэтому вопросы теплозащиты изделий электронной аппаратуры являются одними из самых важных этапов проектирования РЭА.

Выделяемое тепло может быть отведено от поверхности прибора и передано за пределы аппаратуры несколькими методами, применяемыми отдельно или в сочетании друг с другом.

В зависимости от характера и назначения РЭА применяются следующие методы отвода тепла от индивидуальных изделий электронной техники или групп изделий:

1) естественное охлаждение (воздушное, жидкостное);

2) принудительное воздушное охлаждение;

3) принудительное жидкостное (без кипения или с поверхностным кипением);

4) охлаждение, основанное на изменении агрегатного состояния вещества;

5) термоэлектрическое охлаждение;

Эффективность того или иного метода охлаждения определяется интенсивностью протекающих процессов теплоотдачи.

Выбор метода охлаждения определяется следующими факторами: плотностью теплового потока, условиями теплообмена с окружающей средой, условиями эксплуатации (возможностью демонтажа или замены элементов), нормами эксплуатации (уровень шума, токсичность хладогентов и т.п.), специальными условиями работы (стационарными или кратковременными режимами, работой против сил тяготения и т.д.), затратами электроэнергии на привод нагнетателей  и другими.

Основным критерием выбора метода охлаждения является значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена. Вторым критерием выбора метода охлаждения является допустимый перегрев элемента, равный разности между допустимой температурой корпуса элемента и температурой окружающей среды.

Для естественного охлаждения температура окружающей среды максимальна; для принудительного воздушного охлаждения – соответствует температуре воздуха на выходе из РЭА.

Анализируя количественный состав радиоэлектронных компонентов, можно предположить о возможности применения естественного воздушного охлаждения. При естественном охлаждении отвод тепла от ИЭТ происходит за счёт теплопроводности, естественной конвекции окружающего газа или жидкости и излучения. В связи с тем, что реле времени относится к классу наземной РЭА, то применение в нём естественного охлаждения рекомендовано. Последующие расчёты призваны либо подтвердить, либо опровергнуть целесообразность такого способа охлаждения.

5.2 Выбор способов и средств герметизации.

В связи с использованием РЭА в различных климатических условиях существует опасность повреждения конструкций составных частей под действием физико-химических воздействий (коррозия, растрескивание, окисление, засорение и др.). Основным способом герметизации является использование химически и физически стойких материалов и защитных покрытий в соответствии с условиями эксплуатации.

Так как  пульт управления зональной коммутацией  допускает длительное использование практически в умеренных климатических условиях, то соответственно материалы конструкций должны быть не подвержены различным видам коррозии. Углеродистая сталь соответствует этому требованию. Кроме того, она обладает хорошими антикаразионными свойствами. Для защиты ИЭТ будем использовать покрытие - лак ЭП-730.9УХЛ2.3.  

Принятые меры надёжно защитят конструкцию от природных химико-физических воздействий.

5.3 Выбор способов и средств виброзащиты.

Известно, что в приборах, не защищённых от вибрации и ударов, узлы, чувствительные к динамическим перегрузкам, выходят из строя. Делать такие узлы настолько прочными, чтобы они выдерживали максимальные динамические перегрузки, нецелесообразно,  так как увеличение прочности в конечном счёте приводит к увеличению массы, а вследствие этого и к неизбежному возрастанию динамических перегрузок. Поэтому считают более целесообразным использовать другие средства для снижения  воздействия  перегрузок.

При проектировании пульта управления зональной коммутацией прежде всего следует выяснить, нужны ли вообще защитные мероприятия. С этой целью необходимо сравнить оговоренные в технических условиях величины допустимых механических воздействий для предназначенных к использованию элементов (резисторов, микросхем и т.п.) с величинами механических воздействий на объекте установки РЭС. При этом величины воздействующих механических факторов следует скорректировать с учётом возможного резонансного усиления колебаний по пути их распространения от места установки блока до конкретно устанавливаемого элемента. В случае если уровни воздействующих механических факторов превышают допустимые, предусматривают защитные мероприятия с оценкой их эффективности.

Защитные системы могут быть пассивными и активными. Пассивные более просты  в исполнении и не требуют для выполнения своих функций затрат дополнительной энергии, в сравнении с активными.

Существуют 3 пассивных способа виброзащиты аппаратуры: увеличение жёсткости конструкции; демпфирование и использование виброизоляторов.

Основная доля вибраций  приходится на аппаратуру во время её транспортировки. Поэтому основной защитой будут служить виброизоляционные прокладки из пенопласта. Их размеры определяют по номограммам из соответствующей литературы.

5.4 Выбор способов и средств экранирования.

Вблизи источника излучения, на расстоянии менее длины волны, электромагнитное поле имеет одну преобладающую составляющую – магнитную или электрическую. Если принять во внимание, что расстояния внутри РЭА между элементами, которые могут быть связаны электромагнитным полем, исчисляются долями и единицами сантиметра, то для частоты ниже СВЧ диапазона задача экранирования от внутренних источников сводится к экранированию по магнитной или электрической составляющей.

Защита РЭА от внешних полей состоит в решении задачи экранирования плоской волны, так как источник излучения может находиться на значительном удалении. На расстояниях более пяти длин волн поле можно рассматривать как плоскую волну, в которой энергия распределена приблизительно равномерно между магнитной и электрической составляющими.

Учитывая то, что на плате пульта управления зональной коммутацией отсутствуют колебательные контуры (катушки, трансформаторы, дроссели), можно говорить об отсутствии  или незначительных внутренних полях. Поэтому применение экранов в нашей конструкции не рекомендовано. Что же касается внешних полей, то корпус, ввиду  проницаемости полистирола, обеспечивает надежную защиту от внешнего излучения.

6 Расчет конструктивных параметров изделия

6.1 Компоновочный расчет блоков

Исходными данными для расчета являются: перечень элементов, схема электрическая принципиальная, необходимые типоразмеры и установочные размеры ЭРЭ.

Таблица 6.1 -  Исходные и расчетные данные для компоновочного расчета   

Вид элемента и основная характеристика

Тип, типономинал

Установочный

объем    V уст.см3

Суммарный объем Vzi,см3

Масса m, не более, г

Кол-во

шт.

Конденсаторы

0,01мкФ; 220мкФ

GRM42-6

0,5

1,5

0,7

28

Резисторы

Samsung RC3216J

0,1

1,5

0,3

78

Транзисторы

КТ3130A9

0,10

3,5

1,5

2

КП784А

0,15

3,8

1,7

6

Микросхемы

МС33063

1,2

1,2

0,8

1

RS485

1,2

1,2

0,8

1

PQFP PIC 16F777-I/PT

1,2

1,2

0,8

1

IW4520BD

1,2

1,2

0,8

3

Резонатор кварцевый

164862Гц

0,5

2,7

1

1

Суммарный объем, занимаемый ЭРЭ:

 V = Vi=198,7 см 3

Из конструктивных соображений выбираем коэффициент заполнения объема корпуса,  равный Кз=0.6. Ориентировочно определяем реальный объем Vреал разрабатываемой конструкции по формуле:

 Vреал=V/Кз=198,7/0,6=331,2  см3                                                        (6.1.1)

 

Габаритные размеры реле времени равны:

Длина 151,3 мм ;

Ширина 134,8 мм;

Высота  30 мм.

        Масса готового изделия с учетом всех составляющих прибора элементов не  превышает 500 г. Так как  ЭРЭ по массе составляют одну десятую часть всего устройства,  то масса всего  устройства  не превышает 0,5 кг, что удовлетворяет ТЗ.

6.2 Расчет теплового режима

Расчёт теплового режима необходим, чтобы подтвердить или опровергнуть выбранный в пункте 5.1 способ теплозащиты.

Расчет теплового режима РЭС заключается в определении по исходным данным температуры нагретой зоны и температур поверхностей теплонагруженных радиоэлементов и сравнения полученных значений с допустимыми для каждого радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации.

Расчёт начинается с определения средней температуры воздуха в блоке.

Исходными данными служат:

1. Габаритные размеры:

 L1 = 0,151м, L2 = 0,134м, L3 = 0,03м.

2. Давление окружающей среды:

Н1=84кПа

3. Давление внутри корпуса:

Н1=64кПа

4. Температура окружающей среды:

 

5. Коэффициент заполнения:

 

6. Мощность рассеиваемая в блоке:

 

Средний перегрев нагретой зоны герметичного корпуса блока с естественным воздушным охлаждением определяется по следующей методике:

  1.  Рассчитывается поверхность корпуса блока:

,                                                                                    (6.2.1)

где L1, L2 - горизонтальные размеры корпуса, м;

L3 - вертикальный размер, м.

Определяется условная поверхность нагретой зоны:

                ,                                                            (6.2.2)

Определяется удельная мощность корпуса блока:

                              ,                                                                               (6.2.3)

  1.  Определяется удельная мощность нагретой зоны:

                                                                                                                 (6.2.4)

Находится коэффициент 1 в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

                                            (6.2.5)

Находится коэффициент 2 в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

                                                         (6.2.6)

  Определяется коэффициент КН1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:  

,                                                  (6.2.7)

Определяется коэффициент КН2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:   

 ,                                                                     (6.2.8)

  9. Рассчитывается перегрев корпуса блока:

                                                                                          (6.2.9)

  1.  Определяется перегрев нагретой зоны:

                                                                                           (6.2.10)

  1.  Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

                                                                       (6.2.11)

  1.  Определяется температура корпуса блока:    

                                                                                                             (6.2.12)

  1.  Определяется температура нагретой зоны:

                                                                                                   (6.2.13)

  1.  Находится средняя температура воздуха в блоке:

                                                                                                         (6.2.14)

 Из формул (6.2.1)- (6.2.14):

м2  

м2

Вт/м2

Вт/м2

0С

0С

0С

Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого прибора обеспечивается нормальный тепловой режим применяемых в нем радиоэлементов в процессе эксплуатации, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин.

Таким образом, выбранная конструкция корпуса и естественного способа охлаждения путем конвекции воздуха не нуждается в изменении и применении в ней других способов охлаждения. Такой способ охлаждения является наиболее легко реализуемым и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения РЭС.

6.3 Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы.

Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы будем производить в следующем порядке:

1. Выбираем класс точности изготовления – 3.

2. Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

(мм),                                             (6.3.1)

где Imax – максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках (определяется из анализа электрической схемы);

jдоп − допустимая плотность тока;

t – толщина проводника, мм.

3. Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

(мм),                      (6.3.2)

где p - удельное объемное сопротивление;

l – длина проводника;

Uдоп – допустимое падение напряжения, определяется из анализа электрической схемы.

4. Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

(мм),                                             (6.3.3)

где dэ – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

dн.о. – нижнее предельное отклонение от номинального

диаметра монтажного отверстия;

r – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ;

5. Рассчитываем диаметр контактных площадок.

Определим максимальный диаметр просверленного отверстия:

(мм),                                  (6.3.4)

где d – допуск на отверстие.

Определим минимальный эффективный диаметр площадки:

(мм),                     (6.3.5)

где bm – расстояние от края контактной площадки до края просверленного отверстия;

p, d – допуски на расположение контактных площадок и отверстий.

Минимальный диаметр контактной площадки:

(мм),                        (6.3.6)

где hф – толщина фольги.

6. Определяем ширину проводников.

Минимальная ширина проводников для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

(мм),                        (6.3.7)

где bmin1 – минимальная эффективная ширина проводника.

Максимальная ширина проводника:

(мм)                                             (6.3.8)

7. Определяем минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

             (6.3.9)

S1min = 1,25-[(1/2+0,25)]+(0,32/2 +0,05)] = 0,29 (мм),

где l – допуск на расположение проводников;

L – расстояние между центрами рассматриваемых элементов.

                                (6.3.10)

8. Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

=1,25-(1,8 + 20,25) = 0,2 (мм)              (6.3.11)

9.Минимальное расстояние между двумя проводниками:

=2,5-(1,8 + 20,05)=0,6 (мм)              (6.3.12)

Глядя на полученные выше результаты, можно сделать вывод, что для изготовления печатной платы рациональнее всего будет использовать комбинированный позитивный метод. При комбинированном способе изготовления печатных плат печатные проводники получают фотохимическим способом, а металлизация отверстий выполняется с помощью химического осаждения металлов с последующим гальваническим усилением. Печатные платы, полученные комбинированным способом, имеют высокую разрешающую способность, а печатные проводники прочно сцеплены с основанием платы. Комбинированный метод применяется для конструирования как односторонних, так и двухсторонних печатных плат. Способ получения рисунка печатной платы фотопечатью является самым точным (±0,05 мм). Плотность монтажа при этом методе соответствует 3 − 5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1 − 0,25 мм). Суть метода состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

В соответствии с ГОСТ 23751-79 плата относится ко второму классу плотности монтажа. Данная плата двухсторонняя и малогабаритная, так как ее размеры 120142 мм; толщина платы 1.5 мм. Плата содержит 172 отверстия, из них 168 металлизированы. Толщина металлизации отверстий 20 мкм. Значение рабочего напряжения для проводников не превышает 12 В.

6.4 Расчет оптимального типоразмерного ряда  базовых несущих конструкций

К деталям базовых несущих конструкций предъявляют комплекс технических требований, определяемых в каждом конкретном случае, исходя из служебных назначений изделия.

В зависимости от конструктивного исполнения и сложности к базовым несущим конструкциям предъявляют следующие технические требования, характеризующие различные параметры их геометрической точности.

1. Точность геометрической формы плоских базирующих поверхностей. Она регламентируется как прямолинейность поверхности в заданном направлении на определенной длине и как плоскость поверхности в пределах габаритов. Отклонение от плоскости находится в пределах 0,002…0,005мм.

2. Точность расстояния между двумя параллельными плоскостями. Для данной детали она находится в пределах 0,005…0,01мм.

3. Точность диаметральных размеров и геометрической формы отверстий. Диаметральные размеры главных отверстий выполняются по 6…11 квалитету.

4. Точность расстояния от осей главных отверстий до базирующей плоскости для большинства составляет 0,02…0,5мм. Точность расстояний между осями главных отверстий 0,01…0,15мм. Соосность отверстий в пределах 0,002…0,05мм.

5. Параметр шероховатости плоских базирующих поверхностей Ra=0,08мкм.

Данные требования характерны для всех базовых несущих конструкций.

Для расчет оптимального типоразмерного ряда  базовых несущих конструкций необходимо решить задачу по расчету размерной цепи.

В соответствии с ГОСТ 16319-80 размерной цепью называется совокупность размеров, непосредственно участвующие в решении поставленной задачи и образующих замкнутый контур.

Размерная цепь, определяющая точность относительного расположения осей и поверхностей одной детали называется подетальной размерной цепью.

Размерная цепь, определяющая расстояние или относительный поворот между поверхностями или осями поверхностей детали в изделии, называется конструкторской размерной цепью. При разработке технологических процессов сборки конструкторская размерная цепь называется сборочной.  

В качестве замыкающего в технологических размерных цепях часто используют припуск на обработку заготовки. В нашем случае необходимо решить обратную задачу, т.е. по известным значением звеньев и их отклонений определим значение замыкающего звена. Расчет данной задачи будем производить по методу “максимумов – минимумов”.

Для расчета необходимо построить саму размерную цепь, по которой определим увеличивающие и уменьшающие размеры. Из рисунка 6.4.1 видно, что размер А1 увеличивающий, а А2,А3,А4 и А5 -уменьшающие.

Рисунок 6.4.1 - Размерная цепь.

                   

где   А1 = 130-0,16              А3 = 35.25+0,08           А5=65+0,19

       А2 = 5.25+0,02             А4 = 6.25+0,02

  1.  Найдем номинальный размер замыкающего звена:

                       (6.4.1)       

  1.  Найдем величину поля допуска замыкающего звена:

                                          (6.4.2)

  1.  Найдем верхнее предельное отклонение:

                                                          (6.4.3)

  1.  Найдем нижнее предельное отклонение:

                                         (6.4.4)

  1.  Найдем координату поля допуска:

                                                                                 (6.4.5)

   Получили, что размер замыкающего звена с допусками равен:

А= 15-0,47  .

   В результате расчетов установили оптимально необходимые размеры несущих конструкций и получили размер, который необходимо выдержать, чтобы получить необходимый зазор для крепления переключателей.

6.5 Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

Все виды РЭС подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭС, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭС. При разработке конструкции РЭС необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность элементов.

Под механической прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции достигается усилием конструктивной основы: контроля болтовых соединений, повышение прочности узлов методами заливки и обволакивания. Во всех случаях нельзя допустить образование механической колебательной системы.

Основой для оценки механической прочности служит расчет собственных частот колебаний элементов. При расчете частот собственных колебаний конструкцию РЭС условно заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны аналитические зависимости. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема возможно ближе соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы. Так как резонансные частоты вредны для всех радиоэлементов, то при конструировании необходимо хотя бы приближенно определять частоты собственных колебаний элементов.

Так как у нас резисторы, транзисторы и конденсаторы поверхностно монтируемые то их собственная частота мало отличается от частоты платы.

При расчете частоты собственных колебаний микросхемы ее представляют в виде консольной конструкции (рисунок. 6.5.1).

Рисунок 6.5.1 - Эквивалентная схема микросхемы.

В этом случае расчет собственной частоты колебаний микросхемы можно произвести по формуле:

,                                   (6.5.1)

где Е - модуль упругости материала балки, Н/м2.

В нашем случае Е=0,71011 Н/м2;

М - сосредоточенная масса. В нашем случае М = 3г.

I - момент инерции балки, м4. Момент инерции для выводов микросхемы рассчитывается по формуле:

,                                    (6.5.2)

где D - диаметр вывода ИМС. D = 0,5 мм.

м4.

m - приведенная погонная масса. В нашем случае m = 0,02 г/мм.

Подставляя значения в (6.5.1), получим

кГц.

Так как полученные значения частот собственных колебаний ИМС выше верхней частоты воздействующих вибраций (150 Гц), то можно сделать вывод о том, что элементы не будут усиливать колебания (коэффициент динамичности в этом случае равен 1).

Так же немаловажное значение имеет расчет собственной частоты колебаний печатной платы. Применительно к печатной плате используется следующая формула для расчета собственной частоты:

Гц,                          (6.5.3)

где Km - коэффициент, учитывающий материал, из которого выполнена плата;

Kb - коэффициент, учитывающий наличие ЭРЭ;

В - коэффициент, зависящий от варианта закрепления пластины и соотношения сторон , В=93;  

h - толщина пластины.

    ,                                               (6.5.4)

где Е - модуль упругости материала, из которого выполнена плата;

- плотность материала, из которого выполнена плата;

ЕS - модуль упругости для стали;

S - плотность стали.  

,                          (6.5.5)        

где  mЭ - масса элементов ,  mЭ - 11 г ;

mn - масса платы.

В нашем устройстве материалом печатной платы является стеклотекстолит. Его плотность равна: = 2 г/см3. Коэффициент, учитывающий материал Km = 0,74. Размеры платы (65 х65 х 1,5)мм.

Определяем массу платы:  

,                              (6.5.6)

Подставляя значения в (6.5.6), находим:  

г.

Подставляя данные в (6.5.5) получим:

.

Подставляя значения в (6.5.4), получим значение собственной частоты цифровой платы измерителя емкости.

Гц.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию:

,                           (6.5.7)

где - безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций, 35.

b - размер короткой стороны платы, 65мм.

nbmax - вибрационные перегрузки в единицах g, 3...10.

Гц.

, таким образом плата будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций.

6.6 Полный расчет надежности

Надежность есть свойство системы сохранять величины выходных параметров в пределах установленных норм при заданных условиях. Под “заданными условиями” подразумеваются различные факторы, которые могут влиять на выходные параметры системы и выводить их за пределы установленных норм.

Поскольку элементы в общем случае могут находиться в рабочем режиме различное время, отличающееся от рабочего времени изделия, это также должно учитываться при расчете надежности. Расчет измерителя выполнен с учетом следующих допущений:

отказы элементов являются случайными и независимыми процессами или событиями;

учет влияния условий эксплуатации производится приблизительно;

параметрические отказы не учитываются;

вероятность безотказной работы элементов от времени изменяется по экспоненциальному закону.

Нам необходимо рассчитать полную надежность прибора при работе в условиях воздействия повышенных температур.

Исходные данные для расчета надежности прибора в условиях повышенных температур окружающей среды приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Исходные данные для расчета надежности при воздействии повышеной температуры окружающей среды

N

п/п

Наименование

элементов

0i10-6,

1/час

Кол-во элементов

0i10-6,

1/час

kн

1,2

3,4

П(i)

i, час

1

ИМС

0,08

6

0,24

0,7

2,5

2

5

0,6

2

Транзисторы

0,04

2

0,08

0,7

0,9

2

1,8

0,4

3

Резисторы

0,005

6

0,085

0,6

0,9

2

1,8

0,6

4

Конденсаторы керамические

0,005

2

0,065

0,6

0,15

2

0,3

0,5

5

Плата печатная

0,02

1

0,06

0,7

0,35

2

0,7

3

6

Винты

0,001

19

0,08

1,6

0,35

2

0,7

0,4

7

Соединения пайкой

0,04

212

5,88

0,6

1,1

2

2,2

0,2

8

Корпус

0,3

1

0,3

0,7

0,35

2

0,7

1

9

Крышка

0,1

2

0,2

0,6

0,35

2

0,7

1

Интенсивность отказов рассчитывается

,                           (6.6.1)

где i 0 - справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;

m - общее число учитываемых эксплуатационных факторов;

j - поправочный коэффициент.

n - общее число элементов конструкции.

В наших расчетах используются комбинированные поправочные коэффициенты:

1,2 - учитывающий одновременно температуру и электрический режим;

3,4 - учитывающий одновременно кинематические и механические нагрузки.

Для определения поправочных коэффициентов j, воспользуемся обобщенными таблицами и графиками.

Средняя наработка на отказ данного изделия определяется по (6.6.2)

.                                             (6.6.2)

Вероятность безотказной работы рассчитывается по (6.6.3)

.                            (6.6.3)

Среднее время восстановления рассчитывается по (6.6.4)

                              (6.6.4)

где qi - вероятность отказа из-за выхода из строя элемента i-ой группы;

k - число групп элементов.

Вероятность восстановления рассчитывается по (6.6.5)

                      (6.6.5)

где - заданное время восстановления.

Коэффициент готовности рассчитывается по (6.6.6)

.                                        (6.6.6)

Коэффициент ремонтопригодности рассчитывается по (6.6.7)

.                                          (6.6.7)

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления рассчитывается по (6.8)

.                                   (6.6.8)

Доверительные границы для наработки на отказ рассчитываются по (6.6.9)

                                       ,                                (6.6.9) где n = 10...15 - число отказов достаточных для определения надежности;

= 0,9...0,99 - достоверность определения границ;

                                                  ;                                                          (6.6.10)

2 - функция, определяемая в зависимости от числа степеней свободы и доверительной вероятности.

Параметры надежности, полученные в результате расчета:

Средняя наработка на отказ, ч      212435

Вероятность безотказной работы      0,96

Среднее время восстановления, ч      0,2

Вероятность восстановления       0,94356

Коэффициент готовности       0,998

Коэффициент ремонтопригодности     0,0001

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления  0,9808

Доверительные границы для наработки на отказ      203621,3...264731,1

По результатам расчёта можно судить о том, что полученные данные полностью соответствуют требованиям, записанным в техническом задании и обеспечат полную работоспособность изделия в течение всего срока эксплуатации.

6.7 Расчёт электромагнитной совместимости

Под электромагнитной совместимостью РЭА понимается возможность совместной работы различных устройств при взаимном исключении электромагнитных полей, индуцированных этими устройствами.

Для обеспечения электромагнитной совместимости РЭА используются экраны, изготавливаемые из различных материалов. При наличии большого количества излучающих элементов используются экраны, представляющие собой металлические детали различной формы из таких материалов как, медь или алюминий. Электромагнитный поток, пересекая проводящий материал, индуктирует в нём вихревые токи, препятствующие дальнейшему проникновению ЭМ поля. Ослабление чистой медью при 200С вычисляется по формуле:

                                                                                                (6.7.1)

где - ослабление, дБ;

       - толщина металла, м;

      - частота поля, Гц.

Ослабление ЭМ поля другим материалом может быть вычислено по формуле:

                                                                                                 (6.7.2)

где - ослабление экраном из чистой меди;

       - поверхностное сопротивление, Ом\м3;

      - магнитная проницаемость.

Как видно из (6.7.1) и (6.7.2), требуемое ослабление или надёжное экранирование может быть обеспечено соответствующим значением толщины экрана. Минимальная толщина экранов может быть определена по формуле:

                                                                                                           (6.7.3)

где - минимальная толщина экрана, м;

     - частота, Гц.

Для более качественного экранирования применяют материалы с высокой магнитной проницаемостью, специальных конструкций и ориентацией по отношению к направлению распространения влияющих полей.

В составе элементной базы пульта управления зональной коммутации отсутствуют (или действие их незначительно) какие-либо излучающие элементы. Поэтому применение дополнительных экранов нецелесообразно. С задачей поглощения ЭМ полей вполне справится корпус.  

Таким образом, пульт управления зональной коммутации может работать совместно с другими устройствами, не вызывая у них каких-либо нарушений, вызванных ЭМ излучением.

7 Обоснование выбора средств САПР

Для выбора пакетов САПР сперва необходимо определиться, какие задачи необходимо решить с их помощью. В нашем курсовом проекте необходимо спроектировать по заданной электрической схеме плату и устройство, включающее в себя эту плату. В связи с этим, необходимо выполнить построение схемы, её трассировку и сделать чертежи.  Наиболее подходящими и современными для решения этих задач являются такие пакеты САПР как, AutoCAD2001 и PCAD2001.   Рассмотрим их основные особенности из-за которых обосновано их применение в нашем курсовом проекте.

Система PCAD позволяет выполнять следующие проектные операции: создание символов элементов принципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины; автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме.

Для рисования и редактирования чертежей использован пакет AutoCAD. Команды AutoCAD могут выбираться из меню с помощью кнопок панелей управления, а так же набираться с клавиатуры в текстовом окне. Независимо от способа набора команды для ее повторения необходимо нажать клавишу Enter. AutoCAD хранит чертежи в файлах с расширением “.dwg”. Кроме чертежа этот файл содержит ряд параметров. При создании нового чертежа эти параметры устанавливаются по умолчанию, либо берутся из чертежа прототипа.

В AutoCAD имеется возможность определения формата и точности представления чисел. Ввод координат с клавиатуры возможен в абсолютных и относительных координатах. Относительные координаты задают смещение относительно последней введенной точки. Для удобства работы можно определить пользовательскую систему координат, которая может быть смещена относительно мировой и повернута под любым углом.

Чертежи в AutoCAD создаются в примитивах, над которыми понимают элементы чертежа, которые обрабатывают как единое целое, а не как совокупность точек и объектов. Система позволяет ставить линейные, угловые, диаметральные, радиальные и координатные размеры. Составные элементы размера: размерная линия, выносная линия и размерный текст. Имеется возможность ввода своего значения. Все линии, стрелки, элементы текста рассматриваются как один примитив.

ВЫВОДЫ

В результате работы над курсовым проектом была разработана конструкция прибора пульта управления зональной коммутации. Данное устройство разработано с учетом современных требований конструирования РЭС, основными из которых выступают следующие:

обеспечение минимальных габаритов и веса устройства;

простота и удобство в эксплуатации;

высокая ремонтопригодность;

высокая надежность.

Спроектированный измерителя емкости имеет следующие характеристики:

  1.  Габариты:

длина, мм                                                                     150;

ширина, мм                                                                    135;

высота, мм                                                                            30.

Масса, кг, не более                                                            0,5.

В ходе курсового проектирования была проанализирована схема электрическая принципиальная, произведен выбор элементной и материальной базы.

Все параметры, включая параметры надёжности, виброзащиты и теплозащиты, рассчитанные в ходе курсового проекта, выше заданных в техническом задании.

Расчет теплового режима позволяет судить о том, что меры защиты устройства от тепловых воздействий выбраны верно и что они обеспечат нормальный режим работы теплонагруженных элементов устройства.

Результатом разработки явились данная пояснительная записка и комплект чертежей разрабатываемого изделия.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  ГОСТ 15150-69 Машины,  приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов.  Категории, условия эксплуатации,  хранения и транспортирования в части  воздействия климатических факторов внешней среды.
  2.  Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. Пособие для студентов специальности: " Конструирование и технология  радиоэлектронных средств" /Н.С. Образцов,  В.Ф. Алекссев, С.Ф. Ковалевич и др.; Под ред. Н.С. Образцова.- Мн.: БГУИР, 1994.
  3.  Проектирование конструкций радиоэлектронной  аппаратуры: Учеб. пособие для вузов./ Е.М. Парфенов. Э.Н. Камышная, В.П. Усачев.- М.: Радио и связь, 1989.
  4.  Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭС: Справ./Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренко - Мн.: Беларусь, 1994.
  5.  Троян Ф.Д., Хасин В.М. Основы проектирования электронной аппаратуры. – Мн. : УП Тенопринт, 2001. – 134с.
  6.  Роткоп Н.В., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА.- М.: Сов. радио, 1976.
  7.  Хлопов Ю.Н., Боровиков С.М., Алефиренко В.М. и др. Методическое пособие к курсовому проектированию по курсу "Конструирование и микро-миниатюризация РЭА".- Мн.: МРТИ, 1983.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6007. Базовые концепции логистики 685.5 KB
  Рассматриваются базовые концепции логистики: точно в срок, планирование потребности/ресурсов, стройного производства, реагирование на спрос, а также микрологистические системы, основанные на данных концепциях. Теоретические положения иллюстрируются ...
6008. Методика определения погрешностей приборов 63.5 KB
  Методика определения погрешностей приборов Погрешность срабатывания определяют путем математической обработки результатов проведенного эксперимента (рис. 1). На измерительный стержень 2 прибора 3, прикрепленный к кронштейну 5 стойки 6, воздействует ...
6009. Испытания и поверка приборов активного контроля в динамическом режиме 63 KB
  Испытания и поверка приборов активного контроля в динамическом режиме Эксплуатация приборов активного контроля и применение нормативно-технической документации, регламентирующей их точностные показатели, привели к необходимости создания специальных ...
6010. Активный контроль деталей с прерывистыми поверхностями 68 KB
  Активный контроль деталей с прерывистыми поверхностями К деталям с прерывистой поверхностью относятся такие, у которых на гладкой контролируемой поверхности имеются разрывы в виде отверстий, пазов, срезов и других углублений. При перемещении такой д...
6011. Электроконтактные преобразователи 72 KB
  Электроконтактные преобразователи По назначению преобразователи разделяются на предельные, предназначенные для контроля размера детали, и амплитудные, предназначенные для контроля отклонений от правильной геометрической формы. В предельных пре...
6012. Исследование статических характеристик биполярного транзистора 75.5 KB
  Исследование статических характеристик биполярного транзистора 1. Цель работы Ознакомиться с устройством и принципом действия биполярного транзистора (БТ). Изучить его вольтамперные характеристики в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмитте...
6013. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона. Движение заряженных частиц 185.5 KB
  Определение удельного заряда электрона методом магнетрона 1. Цель работы Познакомиться с законами движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, определить удельный заряд электрона с помощью цилиндрического магнетрона. 2. Основные тео...
6014. Исследование детекторов частотно-модулированных сигналов 413 KB
  Радиоприемные устройства Исследование детекторов частотно-модулированных сигналов 1. Цель работы Изучение принципов работы и основных характеристик детекторов частотно-модулированных колебаний. Экспериментальное исследование схем частотных детекторо...
6015. Измерительные устройства для контроля диаметров валов 78.5 KB
  Измерительные устройства для контроля диаметров валов Рассмотрим некоторые сборные универсальные автоматизированные приспособления для контроля валов. Эти приспособления представляют собой набор нормализованных узлов, число которых и размещение зави...