Устройство защиты сетевой аппаратуры от аварийного напряжения
Введение
Сегодня повсеместно используются радиоэлектронная аппаратура которая работает от сети. Так как в сети могут возникнуть скачки напряжения, то аппаратура может легко утратить свою работоспособность. Эту проблему поможет решить устройство защиты сетевой аппаратуры от аварийного напряжения, о котором и будет вестись речь в этом курсовом проекте.
Предлагаемое устройство отключит питание от аппаратуры, чувствительной к изменениям сетевого напряжения, в случае его выхода за установленные пределы. После возврата напряжения к норме аппаратура снова будет подключена к сети. Информация о сетевом напряжении, за которым постоянно следит микроконтроллер, выводится на трехразрядный цифровой светодиодный индикатор.
С помощью данного устройства можно будет не только уберечь аппаратуру от аварийного напряжения, но и отслеживать значение сетевого напряжения в реальном времени.
В устройстве можно установить
нижний предел напряжения в интервале
150-218В и верхний – в
- Анализ технического задания
- Назначение и общая характерист
ика
Данное устройство предназначено для защиты бытовой аппаратуры от аварийного напряжения и будет применятся в домашних и офисных условиях. Оно отключит устройство от сети при аварийном напряжении и, после возвращения его в норму, снова подключит устройство к сети.
Установки пороговых значение напряжения срабатывания защиты а также продолжительности задержки подключения нагрузки осуществляют кнопками SB1-SB3. При нажатии на кнопку SB3 входят в режим «меню», а нажатием на кнопку SB1 или SB2 проводят выбор устанавливаемых параметров: «uhi» (верхний предел), «ulo» (нижний предел) и «dlt» (длительность задержки). Последующее нажатие на кнопку SB3 приводит к выводу на индикатор HG1 значения устанавливаемого параметра, и нажатием на кнопку SB1 или SB2 увеличивают или уменьшают его значение. При длительном нажатии изменение параметра в сторону увеличения или уменьшения происходит быстрее (около шести раз в секунду). Если в течение 5с на кнопки не нажимать, устройство вернется в рабочий режим, а установки сохранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера.
В рабочем режиме на индикаторе
постоянно отображается текущее
значение напряжений сети. Когда оно
выйдет за установленные пределы, нагрузка
будет отключена от сети, а индикатор
начнет мигать с частотой 2Гц. После
возврата напряжения в норму, он мигает
с частотой 1Гц, сигнализируя о том,
что еще не истекла установленная
задержка включения. По ее окончании
индикатор перестанет мигать, а нагрузка
будет подключена к сети. Для защиты
от сбоев программы в
Налаживание сводится к установке правильных показаний индикатора. Для этого устройство подключают к сети вместе с образцовым вольтметром переменного тока или мультиметром. Подстроечный резистором R2 добиваются совпадений показаний. Поскольку все элементы устройства находятся под напряжением сети, при его налаживании и эксплуатации следует соблюдать правила техники безопасности. Кроме того, желательно штырь вилки XP1, соединенный с плавкой вставкой FU1 и контактами реле K1.1, подключить к фазному проводу сети.
- Требования по устойчивости к внешним воздействиям
Проектируемое устройство является бытовой радиоэлектронной аппаратурой и относится к группе I и в соответствии с ГОСТ 15.150-69 должно отвечать следующим параметрам:
– температура 10…40 °C
– относительная влажность
при температуре 25 °C 93 %
– значение пониженного
атмосферного давления при
температуре 25 °C ± 10 °C 70 кПа (525 мм рт.ст.)
– диапазон частот 10…55 Гц
При этом нормальными климатическими условиями являются:
– температура 10…15 °C
– относительная влажность
при температуре 25°C 40…75 %
– атмосферное давление 86…106 кПа
(650…800 мм рт.ст.)
- Требования к надежности
По ГОСТ 16019-78 группа I условий эксплуатации включают в себя следующие требования:
а) испытания на прочность при воздействии синусоидальных вибраций с частотой 20 Гц;
б) испытания на воздействия повышенной влажности:
- относительная влажность воздуха 80%,
- температура окружающей среды +25°С,
- время выдержки 48 ч;
в) испытания на воздействие повышенной температуры:
- рабочая температура 40°С,
- время выдержки 6 ч;
г) испытания на воздействие пониженной температуры:
- предельная температура –40°С,
- время выдержки 6 ч;
д) испытания на воздействие пониженного атмосферного давления:
- температура среды –10°С,
- атмосферное давление 6,1*104 Па,
- время выдержки 6 ч;
е) испытания на прочность при транспортировании:
- длина ударного импульса от 5 до 10 мс,
- частота ударов 40-80 Гц,
- пиковое ударное ускорение 5 g.
Климатическое исполнение УХЛ 4.1 ГОСТ 15150-89:
- значение температуры воздуха от +1°С до +40°С;
- относительная влажность воздуха при температуре 25°С 45..80 %;
- атмосферное давление (8,36..10,6)*104 Па.
- Анализ схемы электрической при
нципиальной
Сетевое напряжение после выпрямления диодным мостом VD1-VD4 через резистивный делитель R1R2 поступает на вход встроенного 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Конденсатор C2 сглаживает выпрямленное напряжение а C1 подавляет помехи, проникающие из сети.
В устройстве можно установить
нижний предел напряжения в интервале
150-218В и верхний – в
Для вывода информации использован трехразрядный светодиодный индикатор HG1 с общим катодом и применена динамическая индикация. Управляющий сигнал на элемент f индикатора HG1 и один из его катодов формируется непосредственно линиями порта PB0 микроконтроллера DD1, а на остальные элементы и катоды индикатора – с помощью сдвигового регистра DD2. Это обусловлено тем, что число линий портов микроконтроллера ограничено. Поэтому при отображении информации в младших разрядах (выводы 8 и 9 индикатора HG1) на линии порта PB0 присутствует высокий уровень, если необходимо «засветить» элемент f , или установлено Z-состояние, если нужно его «погасить». Когда отображается информация в старшем разряде, на линии порта PB0 присутствует низкий уровень. В этом случае элемент f в старшем разряде всегда «погашен», но для отображения цифр 1, 2 и 3, а также дополнительных символов u, d он не нужен.
Узел питания микросхем и реле собран на понижающем трансформаторе T1, диодном мостовом выпрямителе VD5-VD8, сглаживающем конденсаторе C3 и интегральном стабилизаторе напряжения DA1. Стабилизированное напряжение используется так же, как образцовое для аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер DD1.
- Выбор и описание конструкции изделия
- Выбор элементной базы
Большинство деталей монтируют
на макетной плате из односторонне
фольгированного
Кнопки – DTST-6 с длинными толкателями. Реле – TRL-12VDC-P1C с номинальным рабочим напряжением 12 В и током не более 100 мА, рассчитанное на коммутацию сетевого напряжения. Предварительно следует убедиться, что реле будет уверенно срабатывать при изменении сетевого напряжения в установленных пользователем допустимых пределах.
Трансформатор должен обеспечивать на выходе выпрямителя напряжение 12 В при токе до 100 мА и минимальном сетевом напряжении, кроме того, иметь запас по входному напряжению. Возможно например использование двух трансформаторов на 220 В, первичные и вторичные обмотки которых соединяют (с соблюдением фазировки) последовательно.
Резисторы, изготавливаемые промышленностью, имеют сопротивление от сотых долей ома до сотен гигаом. Номинальное сопротивление необходимо выбирать из ряда чисел, который установлен соответствующим государственным стандартом.
Применяемые резисторы имеют
допустимую мощность рассеяния от десятых
долей до десятков ватт. Это мощность,
при рассеянии которой резистор
может длительно работать, сохраняя
параметры в заранее
Допустимые условия
- при вибрациях ускорение 15g,
- при ударных нагрузках ускорение 500g,
- при линейных нагрузках ускорение 200g,
- влажность воздуха при температуре +40°С – 98%,
- температура окружающей среды от –60°С до +125°С.
Сопоставляя допустимые эксплуатационные характеристики резисторов, приходим к выводу, что резисторы с мощностью рассеяния 0,125 Вт; 0,25 Вт; 0,5 Вт; 1Вт удовлетворяют требуемым условиям эксплуатации и могут использоваться в данной аппаратуре.
Подстроечные резисторы должны быть выполнены так, чтобы при механических воздействиях, которые могут возникнуть при эксплуатации и транспортировке самого изделия, ось не проворачивалась самопроизвольно. Для этой цели некоторые типы резисторов комплектуют специальными стопорящими устройствами, либо возможно применение красок и клея.
Для выбора конденсаторов необходимо проанализировать условия работы конденсаторов (напряжение в схеме, температуру и влажность окружающей среды), а также требования предъявляемые к его параметру. Конденсатор следует подобрать так, чтобы фактическое напряжение на нём и температура окружающей среды были меньше предельных значений, установленных техническими условиями. Анализируя параметры конденсаторов, подбираем такие, характеристики которых максимально удовлетворяют приведённым требованиям.
Допустимые условия
- вибрации при частоте от 1 до 3000 Гц с ускорением 40g,
- при ударных нагрузках ускорение 1000g,
- атмосферное давление от 1 до 3 атм,
- влажность воздуха при температуре +25°С – 98%,
- температура окружающей среды от –60°С до +85°С.
Выбор необходимых полупроводниковых приборов осуществляется на основании анализа схемы электрической принципиальной генератора сигналов цветности. Будем делать выбор с учётом рассеиваемых мощностей, протекающих токов, а также на основании условий эксплуатации приведённых ниже:
- при вибрациях ускорение 20g,
- при ударных нагрузках ускорение 150g,
- при линейных нагрузках ускорение 200g,
- атмосферное давление до 3 атм,
- влажность воздуха при температуре до 98%,
- температура окружающей среды от –60°С до +100°С.
Допустимые условия
- при вибрациях ускорение 10g,
- при ударных нагрузках ускорение 100g,
- при линейных нагрузках ускорение 150g,
- влажность воздуха при температуре до 98%,
- температура окружающей среды от –60°С до +125°С.
- Обоснование выбора материалов и покрытий
Правильный выбор материала деталей – задача сложная и должна решаться на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей и с учетом следующих факторов:
1) материал является основой конструкции и определяется способностью детали выполнять рабочие функции и противостоять действию климатических и механических факторов;
2) материал определяет технологические характеристики детали;
3) от свойств материалов зависит точность изготовления деталей и элементов конструкции;
4) материал определяет габариты и массу прибора;
5) материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность.
Например, при выборе материала
печатной платы необходимо, чтобы
материал имел высокие электроизоляционные
показатели в заданных условиях эксплуатации
(большую электрическую
Слоистые пластинки с бумажным наполнителем приме-няют в тех случаях, когда основания должны быть дешевыми и обладать штампуемостью, но не требуется высокая влагостойкость. Таким материалом является гетинакс.
Удовлетворительные свойства фольгированного гетинак-са наблюдаются только в легких условиях эксплуатации, например, в бытовой РЭА. Он обладает химической стойкостью к травильным растворам, низкой теплостойкостью, большим ТКЛР основания.
Материал со стекловолокном – стеклотекстолит используют при изготовлении оснований, обладающих повышенной влагостойкостью. Стеклотекстолит теплостоек, химически инертен, не смачивается, механически прочен. Но он хуже обрабатывается, при сверлении отверстий выделяется стеклянная пыль, которая токсична. Фольгированный стеклотекстолит марки СФ (СФ-I-35, СФ-2-35) рекомендуется для изготовления печатных плат, эксплуатируемых при температуре до +120 °C. Более вы-сокими физико-механическими свойствами и теплостойкостью обладает стеклотекстолит марок СФПН-I-50 и СФПН-2-50.
Для МПП и ТПП применяют
Многие материалы в
– покрытия металлические и неметаллические (неорганические), наносимые на неметаллические поверх-ности;
– покрытия лакокрасочные, наносимые на любые поверхности.
В зависимости от назначения детали и условий ее эксплуатации необходимо выбрать конкретный вид покрытия и дать основные характеристики покрытия. Например, для металлических покрытий определить металл покрытия, способ нанесения, толщину покрытия, число слоев и т.д.
Произведём выбор материалов
конструкции. Исходя из условий эксплуатации
и технологических показателей,
а также с учётом минимизации
массы и габаритов прибора
необходимо изготовить корпус из лёгкого
материала и по возможности с
большей теплопроводностью и
легко поддающегося обработке. Материалом,
отвечающим этим требованиям, является
алюминий, его использование даёт
сокращение массы прибора в 1,5-3 раза
по сравнению с другими
Для изготовления печатной платы необходимо выбрать материалы с учётом эксплуатационных характеристик изделия. Поскольку, стеклотекстолит по сравнению с гетинаксом обеспечивает возможность создания печатных плат с меньшими расстояниями между элементами рисунка примерно на 0,1 мм, а также более высокую электрическую прочность изоляции, то для изготовления печатной платы следует выбрать стеклотекстолит.
- Разработка компоновки блока и выбор способа монтажа
Плату устанавливают в корпус из изоляционного материала в котором сверлят отверстия для толкателей кнопок, индикатора и гнезда для подключения нагрузки. Монтаж платы производится вручную с помощью болтов. Этот способ монтажа будет более рационален для данного устройства. Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей, электрорадиоэлементов и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров. В зависимости от уровней модульности различают несколько уровней компоновки аппаратуры: микросхем и электрорадиоэлементов на плате, ячеек в блоке и т.д. Процесс компоновки завершается получением компоно-вочного эскиза.
Конструктор должен искать
такие компоновочные решения, которые
удовлетворяют следующим
– между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические и магнитные взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;
– взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;
– расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;
– изделие должно удовлетворять требованиям техниче-ской эстетики;
– габариты и масса должны быть минимальными.
Удовлетворить одновременно всем перечисленным требо-ваниям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимального решения.
Высокая сложность разрабатываемой в настоящее время РЭА, построенной с применением различного типа микросхем, микросборок и других современных электрорадиоэлементов, вызвала необходимость поиска таких конструктивных и компоновочных решений, которые позволили бы удовлетворять следующим требованиям:
– высокой степени микроминиатюризации аппаратуры в целом;
– широкой унификации элементов конструкции;
– возможности параллельной сборки и регулировки со-ставных частей РЭА;
– обеспечения высокой эксплуатационной надежности аппаратуры многоразового действия за счет быстрой замены вышедших из строя составных частей;
– возможности проведения модернизации отдельных составных частей при сохранении неизменными других.
Основной задачей при этом является реализация схемы изделия в виде набора отдельных конструктивно законченных модулей, узлов или блоков, связанных друг с другом цепями электрической коммутации. Важным этапом при этом является разбиение электрической принципиальной схемы изделия на подсхемы (функциональное разбиение).
После функционального разбиения
электрической принципиальной схемы
изделия необходимо провести анализ
существующих конструкций и рассмотреть
сравнительные технические
Одной из важнейших задач, решаемой на этапе предварительной компоновки изделия, является выбор типа внутриблочного электрического монтажа. Его тип определяется используемой элементной базой, рабочим диапазоном частот, условиями эксплуатации и вариантом конструкции модуля. В РЭА используются два способа монтажа:
– объемный (жгуты, провода, кабели);
– плоский (печатный монтаж).
На конструкцию объемного
электромонтажа решающее влияние оказывает
частотный диапазон работы устройства.
В устройствах, работающих на средних
и низких частотах (до 1 МГц), монтаж
выполняется объемным гибким проводом
либо плоским кабелем. Их выбор зависит
от силы тока, напряжения, частоты и
условий эксплуатации. В блоках,
работающих на высоких частотах (от
1 до 300 МГц), ощутимым становится влияние
паразитной емкости и индуктивности
элементов электромонтажа. При этом
отдельные участки
В блоках СВЧ (свыше 300 МГц) для электрического монтажа используют коаксиальные линии связи или волноводы.
Для реализации внутримодульного электромонтажа применяют печатный монтаж.
В процессе конструирования печатных плат определяются конфигурация и габаритные размеры печатных плат, радиальное взаимное расположение навесных элементов на печатных платах, осуществляется трассировка соединений. Определение конфигурации и габаритных размеров печатных плат необходимо осуществлять с учетом габаритных размеров разрабатываемого изделия, сложности электрической схемы, применяемых элементов, эксплуатационных требований, предъявляемых к изделию.
Конструирование печатных плат осуществляется следующими методами:
– ручным;
– полуавтоматизированным;
– автоматизированным.
При ручном методе конструирования размещение навесных элементов и разработка проводящего рисунка осуществляются вручную.
Полуавтоматизированный метод конструирования может включать размещение навесных элементов с помощью ЭВМ и разработку проводящего рисунка печатной платы ручным методом, или размещение навесных элементов ручным методом и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ.
Автоматизированный метод предполагает размещение навесных компонентов и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ. Для этих целей используется система автоматизированного проектирования P-CAD, программы схемотехнического моделирования P-Spice и пакета машинной графики AutoCAD.
Наряду с традиционными технологиями монтажа в современной РЭА применяются и новые направления сборки, наиболее перспективным из которых является метод поверхностного монтажа (ПМ). Можно отметить два основных отличия технологии ПМ от традиционной технологии: поверхностно-монтируе-мые компоненты имеют меньшие размеры и монтируются не в отверстия, а на поверхность печатной платы. Таким образом, первая и наиболее важная проблема – это компоненты, монтируемые на поверхность.
Следующая важная проблема технологии ПМ – обеспечение надежности пайки. При пайке компонентов в отверстия обеспечивается жесткое механическое соединение прежде всего за счет его конструкции. В технологии ПМ требуемая прочность соединения должна гарантироваться припоем.
Все многообразие компонентов
и корпусов ПМ, выпускаемых в настоящее
время зарубежными и
– простые корпуса для пассивных компонентов:
а) безвыводные корпуса прямоугольной формы, на-пример резисторов и конденсаторов;
б) корпуса типа MELF с вмонтированными электродами в виде металлизированных торцов;
– сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:
а) малогабаритный транзисторный корпус (SOT);
б) малогабаритный корпус (SO) для интегральных схем;
в) увеличенный малогабаритный корпус (SOL) для инте-гральных схем;
г) плоский квадратный пластмассовый корпус (QFR);
д) пластмассовые кристаллоносители с выводами (PLCC);
е) безвыводные керамические кристаллоносители (LCCC);
ж) керамические кристаллоносители с выводами (LDCC);
з) корпуса с матрицей шариковых выводов (CBGA, CCGA, PBGA, TBGA);
– различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы, например: индуктивностей и переключателей.
Корпуса для ПМ (в частности, транзисторные и для ИМС) относятся к XIV группе. Общие требования применительно к изделиям XIV группы для ПМ указаны в ГОСТ 20.39.405–84, согласно которому к таким корпусам предъявляются жесткие требования по паяемости.
На этапе компоновки определяется форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплутационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность.
Необходимо найти такие
компоновочные решения, которые
удовлетворяют следующим
а) между отдельными деталями, узлами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия: тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;
б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;