Модуль защиты радиоаппаратуры

       МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

       ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

       Кафедра "Проектирование и технология электронных  и 

       вычислительных  систем"  
 
 

       ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 
 

       Студент                                шифр _____________ группа ____________

       1. Тема Модуль защиты радиоаппаратуры ________________________

       2. Срок сдачи студентом работы  к защите ______   ___________2005  г.

       3. Исходные данные на выполнение  курсовой работы: схема электрическая принципиальная. Классификационная группа изделия ЭС - транспортируемое. Тип производства – серийный

       4. Содержание пояснительной записки: Введение; назначение и область применения изделия ЭС; анализ технического задания и постановка задач проектирования; конструкторский анализ электрической принципиальной схемы (Э3); разработка и расчёт варианта компоновки печатной платы заданной Э3; расчёт теплового режима надёжности, по переменному току; заключение; приложение А; приложение Б. 

       5. Перечень графического материала: Лист 1 (А24) - схема электрическая принципиальная, Лист 2 (А24) - сборочный чертеж 

       Руководитель  работы __________________Прасов М. Т. ____________

       подпись, дата, инициалы, фамилия 

       Задание принял к исполнению _____   _____________ 2005 г.  

       Подпись студента ___________________________________________ 

        Введение. 

       Производство  ЭВС в настоящее время находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса.

       В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей ЭВС и серьезном улучшении таких технико-экономических показателей как надежность, стоимость, габариты, масса. Эти задачи могут быть решены только на основе рассмотрения целого комплекса вопросов системо- и схемотехники, конструирования и технологии, производства и эксплуатации. Именно на стадиях конструирования и производства ЭВС реализуются системо- и схемотехнические идеи, создаются изделия, отвечающие современным требованиям.

       Проектирование современных ЭВС сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия электронно-вычислительных систем, схемы, конструкции аппаратуры и технология её изготовления.

       Основное  требование при проектировании ЭВС  состоит в том, чтобы создаваемое  устройство было эффективнее своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности. Современные методы конструирования должны обеспечивать: снижение стоимости, в том числе и энергоемкости; уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы; увеличение степени интеграции, микроминиатюризации межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода; высокую технологичность; однородность структуры; максимальное использование стандартизации.

       Все возрастающие требования к проектированию РЭА приводят к усложнению конструкций, повышению трудоемкости их проектирования и изготовления, увеличению себестоимости.

       Сокращение  сроков проектирования до определенных пределов при использовании традиционных ручных методов возможно за счет увеличения численности конструкторов и разработчиков. Однако при этом снижается удельная производительность труда из-за трудностей, возникающих при управлении, и ошибок, неизбежных при ручном проектировании (эти ошибки часто обнаруживаются уже в процессе производства, а даже небольшие коррекции в документации требуют разработки новых чертежей, объем которых сравним с основным объемом документации). Кроме того, число людей, занятых в сфере конструкторской деятельности, ограничено. Ускорить и удешевить проектно-конструкторские работы можно как за счет обоснованного применения типовых базовых конструкций, так и путем разработки и внедрения прогрессивных методов конструирования на основе достижений вычислительной техники.

       Цель  курсовой работы заключается в приобретении навыков конструирования и микроминиатюризации изделий РЭА, способствующих формированию конструкторского мышления, которое развивается на базе накопленных в процессе обучения технологических решений. 

1.Техническое задание. 

1. Наименование  изделия: модуль защиты радиоаппаратуры.
2. Назначения: устройство предназначено для использования в быту.
3. Комплектность: один блок.
4. Технические параметры:

                    напряжение питания  –  220В;

                    потребляемый ток - не более 30 мА;

                  допуск отклонения сетевого напряжения питания – 170…260В.

5. Требования к конструкции:

                — модуль защиты радиоаппаратуры относится к группе передвижных  устройств;

               — внешний вид устройства должен отвечать современным требованиям к аппаратуре;  

          — масса не более 0,1 кг;

          —  габаритные размеры не более 100х100х20 мм.

         6.  Характеристики внешних воздействий:

                 окружающая температура -20 ... +40 ⁰С;

                 относительная влажность 80% при температуре +25 ⁰С.

         7. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 80000ч.

         8. Тип производства - серийный.

        2. Назначение и область применения изделия ЭС. 

       Разрабатываемая система модуля защиты радиоаппаратуры представляет собой самостоятельное устройство, предохраняющее аппаратуру от повышенного напряжения в сети питания. Устройство может применяться в любых приборах включаемых в сеть 220В, таких как ЭВМ, телевизоры, магнитофоны и т.п.

       Благодаря отдельному расположению непосредственно  разрабатываемого блока оно легко подвергается модификации и ремонту, обладает повышенной защищенностью от помех

       Область применения изделия достаточно широка, так как устройство является универсальными оно может быть использовано, как самостоятельное устройство и, как составная часть более сложных защитных систем. 
 

       2. Анализ технического задания и постановка задач проектирования изделия ЭС. 

       Анализ  технического задания:

    В процессе проектирования ЭС необходимо учитывать множество взаимосвязанных, а иногда и противоречивых технических требований, предъявляемых к конструкции отдельных устройств и ЭС в целом.

    Такими  требованиями являются:

• назначение и область применения ЭС;
• заданные электрические характеристики;
• условия эксплуатации;
• конструкционные параметры;
• технико-экономические характеристики;
• организационно-производственные факторы;
• наличие и уровень элементной базы.

    Согласно  техническому заданию разрабатываемое  устройство относится к группе аппаратуры, для которых требованиями являются: высокая надёжность, малая интенсивность отказов, небольшие потребляемая мощность и стоимость. При выборе варианта конструкторского решения необходимо, прежде всего, стремиться к идеализированию этих характеристик. Это достигается путем применения недорогой и надежной элементной базы, соответствием используемых элементов заданным характеристикам внешних воздействий, использованием типовых конструкторских решений, повышением помехоустойчивости схемы, совместимостью ЭРЭ и ИС.

     В соответствии с этим из возможных  вариантов конструкторских решений был произведен выбор наиболее оптимального, который может быть реализован в соответствии с техническим заданием.

Выводы:

• необходимо учесть требования по диапазону температур, влажности и атмосферному давлению при выборе элементной базы устройства. Таким образом предусматривать особые меры защиты от механических и климатических воздействий нет необходимости;
• для обеспечения требований, предъявленных в техническом задании, необходимо провести расчеты компоновки, помехозащищенности, надежности и технологичности.

        3. Конструкторский  анализ электрической  принципиальной схемы ЭС

       Разрабатываемое устройство представлено на рис. (здесь и далее см. Приложение А).

    В нем два компаратора напряжения. Первый из них, выполненный на элементах DD1.1 и DD1.2, срабатывает в начале каждого полупериода сетевого напряжения, а второй — на элементах DD1.3 и DD1 .4 — срабатывает только при превышении амплитуды сетевого напряжения заранее установленного порога. Триггеры DD3.1 и DD3.2 используются для запоминания предыдущего состояния напряжения сети. Элементы DD2.1 и DD2.2, резистор R15 и конденсатор С3 образуют генератор импульсов звуковой частоты. Элемент DD2.3 применяется для управления транзисторным ключом VT2, а элемент DD2.4 — для подачи сигнала звуковой частоты к звукоизлучателю НА1. Симистор VS1, управляемый импульсным трансформатором Т1, выполняет функцию силового ключа. Этот блок включается отдельно, не располагается на плате и в данной работе представлен только схематически.

    Диодный мост VD1 преобразует переменное напряжение сети в пульсирующее. Диод VD2, резисторы R8, R9, конденсаторы С1, С2 и стабилитрон VD6 образуют параметрический стабилизатор напряжения, необходимого для питания микросхем устройства. Транзистор VT1 совместно с резистором R2 обеспечивают гистерезис при переключении устройства, что повышает его помехоустойчивость.

    Работу  защитного устройства иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 1. Переменное напряжение сети (рис, 1а) диодный мост преобразует в пульсирующее (рис. 1б). Пока амплитуда сетевого напряжения не превышает порог срабатывания второго компаратора на элементах DD1.3, DD1.4, импульсы с выхода первого компаратора (рис. 1в) устанавливают поочередно триггеры DD3.1 и DD3.2 в единичное состояние (рис. 1д) и сигнал высокого уровня с выхода разрешает прохождение импульсов генератора ЗЧ (рис. 1е) через элемент DD2.3. Дифференцирующая цепь C4R16, транзистор

Рис. 1 –  Временные диаграммы. 

VT2 и импульсный трансформатор Т1 преобразуют их в короткие мощные импульсы напряжения (рис. 1ж), которые поступают на управляющий электрод симистора и открывают его в начале каждого полупериода сетевого напряжения. При этом практически все напряжение сети поступает к нагрузке (рис. 1з), подключенной к разъему Х1.

    Если  в какой-то момент времени t₁ — t₂ сетевое напряжение окажется повышенным, то по первой же полуволне сработает второй компаратор (рис 1г) его импульсы обнулят триггеры. Транзисторный ключ не откроется, симистор при переходе сетевого напряжения через "нуль" закроется и нагрузка обесточится. Если теперь все последующие полуволны сетевого напряжения (или даже через одну) будут превышать напряжение срабатывания второго компаратора, то его импульсы станут постоянно обнулять триггеры, обесточивая нагрузку. При этом сигнал высокого уровня на инверсном выходе триггера DD3.2 разрешит прохождение импульсов генератора ЗЧ к эвукоизлучателю НА1, информируя о превышении сетевого напряжения и отключении нагрузки.

    После восстановления нормального напряжения сети второй компаратор срабатывать не будет и в триггер DD3.2 с задержкой в два полупериода сетевого напряжения запишется уровень лог. 1, симистор снова станет открываться, а напряжение сети поступать к нагрузке.

    Такая задержка включения устройства необходима для того, чтобы исключить подключение нагрузки к сети, если превышение напряжения возникает нерегулярно, кратковременно, или же когда разные полуволны напряжения имеют различную амплитуду.

Вывод: устройство не критично к помехам по цепям питания; не содержит цепей требующих особой защиты от помех; к размещению ЭРЭ и ИС особых требований не предъявляется.

        Поиск аналогов:

       Разрабатываемое устройство формирователя импульсов не является уникальным, а является улучшенным вариантом разработанных ранее изделий. Был произведен поиск аналогов и прототипов, основные технические и эксплуатационные характеристики которых приведены в таблице 1.

       Таблица 1 Сравнительные характеристики аналогов

       Вывод: как видно из таблицы, разрабатываемое  устройство не уступает аналогам по показателям, и даже превосходит по некоторым из них. Например, Время задержки на включение и ток потребления. Также разрабатываемое устройство отвечает современным требованиям к стоимости. Разрабатываемое устройство будет состоять из стандартных ИС и ЭРЭ; конструкцию необходимо выполнить в виде ТЭЗа; меры защиты от внешних воздействий стандартные; в качестве материала печатной платы необходимо выбрать стеклотекстолит. 

        4. Разработка и расчёт варианта компоновки печатной платы заданной ЭС. 

       От  правильного размещения корпусов ИС на печатной плате конструктивной иерархии первого уровня зависят их габаритные размеры, масса, помехоустойчивость и т.д. Естественно, чем плотнее будут расположены корпуса ИС на печатной плате, тем  жестче будет тепловой режим, помехи при работе, и наоборот, чем больше расстояние между корпусами ИС, тем не эффективней используется объем и длина электрических связей, следовательно, возникают помехи. Поэтому на установку ИС необходимо обращать серьезное внимание с учётом назначения электрического средства и режимов его работы.

       Печатная  плата (ПП) является конструктивно законченным  элементом и служит для электрического и механического соединения различных  электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС) и электрических соединений (разъемы, розетки и т. п.), расположенных на ней.

       Размещение  ИС проводят с определенными требованиями по помехоустойчивости и в соответствии с шагом установки. Выбор шага установки ИС определяется из условий: назначения и эксплуатации ЭС. Вне зависимости  от типа ИС шаг установки применяется равным: 2,5мм, 1,25мм, 0,625мм.

       Микросхемы  на печатной плате располагаются  линейно в ряды или в шахматном  порядке. Такое расположение ИС и  ЭРЭ позволяет автоматизировать процесс сборки и монтажа.

       Установка ИС на печатные платы производится в соответствии с ОСТом 4ГО.010.030- 97 «Установка навесных элементов на печатные платы».

       Печатная  плата содержит две зоны (Рис 2.):

       1) зону установки ИС и ЭРЭ;

       2) технологическую зону, которая в свою очередь делится на две части:

         а) технологическая зона для установки (например: соединительного разъема (Х1) и экстрактора (Х2))

       б) технологическая зона для направляющих и маркировки (У1,У2)

        Установка ИС и ЭРЭ на технологических зонах  запрещена.   

       Рис. 2 - Эскиз печатной платы.

       ИС  располагаются по рядам (линейно) расстояние между ними по торцам должно быть не менее 1,5 мм и по бокам не менее 1,2 мм. ИС располагаемые в зоне установки должны маркироваться координатным способом, то есть зона установки делится по координатам на области, где устанавливают ЭРЭ и ИС и они обозначаются по Х и У,  такое разбиение на зоны позволяет  быстро находить нужный ЭРЭ и ИС расположенные на печатной плате. (Рис 3.) 

       Рис 3. - Определение геометрических параметров печатной платы.

       Таблица 2

         Итого S_схемы = 1780,94

       При конструировании ПП необходимо руководствоваться ГОСТ 10317-84, ГОСТ 23751-86. Наиболее предпочтительной конструкцией является прямоугольная форма ПП. Предварительно геометрические размеры ПП определяются исходя из количества ИС и ЭРЭ, размещаемых на плате, шага их установки и габаритных размеров разрабатываемого блока. Шаг установки ИС на плате определяется требуемой плотностью компоновки их, температурным режимом работы, сложностью электрической схемы и габаритными размерами корпусов ИС.

       Согласно  ГОСТ 10317-84 размеры каждой стороны  ПП должны быть кратными:

       2,5 мм — при длине до 100 мм;

       5,0 мм — при длине до 350 мм;

       10,0 мм — при длине более 350 мм.

       Соотношение линейных размеров стороны ПП должно быть не более 4:1.

       Поле  ПП можно разделить на два участка: основной – для монтажа ИС и других ЭРЭ; вспомогательный – для монтажа электрических соединений, конструктивных элементов и маркировки платы.

       Суммарную площадь S_∑ зоны установки ИС и ЭРЭ на печатную плату, можно определить по формуле:

       S_∑ = S_схемы * k_s,

       где S_схемы – установочная площадь всех элементов,

       k_s – коэффициент, учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату. В связи с тем, что ЭС будит работать в нормальных условиях, и при работе будет происходить нагрев ЭРЭ и ИС, то для расчета суммарной площади установки ЭРЭ и ИС примем коэффициент пропорциональности равный 2.

         S_∑ = 1780,94 * 2 = 3561,88 

       На  плате должны быть предусмотрены  вспомогательные участки x1, x2, y1, y2 технологической зоны для установки разъемов, маркировки, крепежных отверстий и направляющих (x1 = x2 = y1 = y2 = 10 мм). Исходя из ориентировочных размеров зоны установки ИС и ЭРЭ, шага установки элементов, вспомогательных участков, выбираем размеры сторон ПП:

       l =100 мм.

       b =90 мм.

       Средний коэффициент k_З заполнения печатной платы можно определить по формуле:

       k_З = S_схемы / S_∑ = 3561,88 / (80 * 70) = 0,64.

         Коэффициент заполнения считается удовлетворительным. Пример заполнения печатной платы приведён на приложении Б. (Шаг сетки 2,5мм.)

Вывод: были рассчитаны параметры печатной платы для изготовления формирователя частоты. Размеры печатной платы: 100×90. На данной плате будут размещены микросхемы и дискретные ЭРЭ с шагом сетки установки 2,5 мм. В результате расчета компоновки печатной платы был выбран оптимальный вариант компоновки, коэффициент заполнения 0.5 ≤ k ≤ 0.8.

5. Расчет помехоустойчивости функционирования изделия ЭС

     Для обеспечения надежности функционирования электрических схем актуальным является определение параметров линий связи печатных проводников и степени влияния их друг на друга.

     Для оценки помехоустойчивости изделия  ЭВС на печатной плате определяют емкостную и индуктивную составляющие паразитной связи, которые зависят соответственно от паразитной емкости между печатными проводниками и паразитной взаимоиндукции между ними. Исходными данными для расчета помехоустойчивости от влияния перекрестных помех между соседними проводниками могут быть: эквивалентная схема возникновения помех рисунок 3.  

             активная линия связи

                                                 пассивная линия  связи 

Рис 3 – Эквивалентная схема 

       — напряжение на входе активной линии  связи, Е=Е₀е^jwt;

       — w – круговая частота генератора;

       — R₁, R₂, R₃ – сопротивление нагрузок в активной и пассивной линиях связи; тип электрических соединений;

       — e_г – относительная диэлектрическая проницаемость связи между проводниками связи;

       — S, b - расстояние между проводниками и ширина проводников соответственно, в зависимости от класса точности изготовления печатной платы (b; S≥0,6 мм; ≥0,45 мм; ≥0,25 мм; ≥0,15 мм соответственно для 1, 2, 3, 4 классов точности)

       — l - максимальная длина области взаимной связи проводников, см. рисунок 4;

       Рис. 4 - Взаимное расположение печатных проводников 

       — N_n - помехоустойчивость микросхем или транзисторов.

       Диэлектрическая проницаемость среды между проводниками, расположенными на наружных слоях платы покрытой лаком, e_r=0,5(e_п+e_л),