Введение. Обоснование актуальности темы дипломного проекта
Тема данной работы весьма актуальна для людей которые работают в потенциально опасных условиях: на АЭС, заводах и т.д. Многие организации закупают дозиметры с целю обеспечить безопасность здоровью сотрудникам. Дозиметр может быть использован для проверки зданий, стройматериалов, земельных участков, удобрений, продуктов питания, денежных купюр, транспорта и грузов, драгоценных камней, предметов старины, различных радиоэлектронных устройств и др. Цифровой дозиметр предназначен для определения уровня ионизирующей радиации. Реагирует на бета, гамма, а также рентгеновское излучение.
Целью дипломной работы является изучение цифрового дозиметра.
Для выполнения данной цели поставлены следующие задачи:
1 Описание схемы электрической структурной цифрового дозиметра
2 Анализ работы цифрового дозиметра (Э3)
3 Анализ элементной базы цифрового дозиметра, обоснование подбора элементной базы для замены
4 Расчёт показателей надежности цифрового дозиметра
5 Методы определения неисправностей. Возможные неисправности и причины, вызывающие их в цифровом дозиметре
6 Разработка методики проведения ремонта цифрового дозиметра. Составление алгоритма поиска неисправностей в цифровом дозиметре
7 Проведение испытаний после ремонта и настройки цифрового дозиметра
8 Таблица возможных заме активных радиоэлементов в устройстве
9 Выбор и обоснование выбора измерительных приборов и оборудования для проведения ремонта, регулировки и контроля параметров цифрового дозиметра
10 Карта напряжений в контрольных точках. Схема подключения измерительных приборов при ремонте и настройке параметров цифрового дозиметра
11 Организация рабочего места для ремонта цифрового дозиметра
12 Материалы и инструменты, необходимые при ремонте цифрового дозиметра
Теоретическую основу исследования составляют труды Головицыной М.В, Виноградова Ю. А., Графа, Р. Ф., Гордеева В. Н., Климанов В.А. и других ведущих ученых в области радиолюбительской конструкции.
1 Общая часть
1.1 Анализ работы индикатора бытового дозиметра «Нанит»
На рисунке 1.1 изображена схема электрическая принципиальная бытового дозиметра «Нанит»
Рисунок 1.1 – Схема электрическая принципиальная бытового дозиметра «Нанит»
Цифровой дозиметр питается от аккумуляторной батареи на 3.7 В. Присутствует узел контроля заряда/разряда аккумулятора. Так же он может питаться и от обычных батареек напряжением 3 В или 2 элементов питания по 1,5В соединенных последовательно (В таком случае необходимость в использовании контроллера заряда отпадает). Контроллер заряда собран на микросхеме DD1 и конденсаторах C1-4, резисторе R2, а так же для индикации процесса заряда используется светодиод VD3, который отключается при завершении процесса заряда аккумулятора. Минимальное напряжения питания 1.2 В. Питание подаётся на микроконтроллер, DD3 экран DD2, а также на основные элементы схемы. Все логические операции выполняет микроконтроллер. Блокинг-генератор, на выходной обмотке формируются короткие импульсы. Через умножитель удвоения напряжение повышается до требуемого 400-410 вольт. Детекторная камера предназначена для детектирования радиации. Одновибратор формирует из коротко затянутого импульса импульса в импульс прямоугольной формы, для правильной работы МК.
Измерение производится за время 20сек в единицах мкр/ч, также единицах превышающий естественный радиационный фон (ЕРФ) =15-25 мкр/ч.
Блокинг-генератор, на выходной обмотке формируются короткие импульсы около 10 мкс с амплитудой около 220 вольт. Через умножитель напряжение повышается до требуемого 400-410 вольт. частота генерации блокинг-генератора задается стабилитроном D8, который ограничивает амплитуду импульсов на трансформаторе, делая в конечном итоге невозможным превышение выше 400-410в напряжения на датчике, при этом каждый его пробой формирует импульс для МК, сигнализирующий о достаточности питания и необходимости прекращения генерации импульсов для обратноходового преобразователя. Таким образом МК дает ровно столько импульсов накачки, сколько нужно для поддержания рабочего напряжения на датчике, и ни импульсом больше. Умножитель напряжения, собран на диодах VD5-7 и конденсаторах C13-15. Через умножитель, напряжение повышается до требуемого 400-440 вольт. Детекторная камера, состоит из BD1, R10,18-22, C9. Предназначена для детектирования радиации, BD1 счётчик Гейгера, R18-22, -нагрузка для СГ, C9 разделительные конденсаторы. Одновибратор собран на транзисторах VT1,2, резисторах R11-14, конденсаторе C12, формирует из коротко затянутого импульса в импульс прямоугольной формы, для правильной работы МК. Для экономии энергии и большей энергоэффективности стандартные светодиоды подсветки VD1, VD2 ЖК экрана заменены на более энергоэффективные. Для задания частоты работы микроконтроллера используется кварцевый резонатор ZQ1.
1.2 Анализ элементной базы устройства
При подборе элементной базы для замены определяют важнейшие показатели изделия:
- режим цепи, в которую включен элемент (рабочая частота, параметры импульсов, ток, напряжение);
- электрический номинал элемента и основные его параметры (величина сопротивления, номинальная рассеиваемая мощность, величина емкости и т. д.);
- условия эксплуатации проектируемого прибора (температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность окружающего воздуха, параметры механических воздействий);
- требования к массогабаритным показателям.
При обосновании выбора того или иного элемента конструктор должен руководствоваться следующими критериями:
- электрические параметры выбираемого элемента должны соответствовать режиму цепи и номиналу, указанному на схеме;
- технические условия (ТУ) на выбранный элемент должны соответствовать условиям эксплуатации проектируемого изделия, указанным в техническом задании на разработку;
- конструкция выбираемого элемента должна обеспечивать удобство его установки;
- коммутационные изделия, установленные на передней панели, должны удовлетворять требованиям технической эстетики;
- при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать более миниатюрным элементам;
- надежность выбираемого элемента должна быть максимальной;
- стоимость выбираемого элемента должна быть минимальной.
В схеме присутствует две микросхемы на которых нет аналогов. Это Atmega8 и LTC4054. Atmega8 это 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением. И LTC4054 это высокоэффективный контроллер заряда литиевых аккумуляторов.
Конденсатор — это система из двух и более электродов (обычно в форме пластин, называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок конденсатора. Такая система обладает взаимной ёмкостью и способна сохранять электрический заряд. Общие свойства конденсаторов:
-Электрическая емкость — способность накапливать на обкладках конденсатора электрический заряд.
-Допускаемое отклонение фактической величины от номинальной называется допуском и указывается в процентах или с помощью класса точности, аналогично резисторам.
-Удельная емкость определяется как отношение емкости к объему конденсатора.
-Электрическая прочность — важный параметр для конденсатора, зависящий от свойств и геометрических размеров диэлектрика.
Резисторы общего назначения используются в качестве различных
нагрузок, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильтров, шунтов, в цепях формирования импульсов и т.п. Диапазон номинальных сопротивлений этих резисторов 1Ом...10МОм, номинальные мощности рассеяния 0,062...100Вт.
К основным характеристикам резисторов относятся:
-номинальное сопротивление — электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной документации. Диапазон номинальных сопротивлений установлен для резисторов: постоянных — от долей Ома до единиц тера-Ом; переменных проволочных — от 0,47 Ом до 1 МОм; переменных непроволочных — от 1 Ом до 10 МОм.
-рабочее напряжение, при котором резистор может работать, не должно превышать значения, рассчитанного исходя из номинальной мощности и номинального сопротивления;
-номинальная мощность — наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать в заданных условиях в течение гарантированного срока
службы (наработки) при сохранении параметров в установленных пределах;
Температурным коэффициентом (ТКС) называется величина, характеризующая относительное изменение сопротивления на один градус Цельсия. ТКС характеризует обратимое изменение сопротивления резистивного элемента вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки. Чем меньше ТКС, тем лучшей температурной стабильностью обладает резистор.
Транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя или более р-n переходами и тремя или более выводами, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Основная классификация транзисторов ведется по исходному материалу, на основе которого они сделаны, максимальной допустимой мощности, рассеиваемой на коллекторе и частотным свойствам. Эти параметры определяют их основные области применения. По мощности транзисторы делят на:
-транзисторы малой мощности;
-транзисторы средней мощности;
-транзисторы большой мощности.
Стабилитрон - полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей ома до сотен oм. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.
Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 1,8 В до 400 В. Интегральные стабилитроны со скрытой структурой на напряжение около 7 В являются самыми точными и стабильными твердотельными источниками опорного напряжения: лучшие их образцы приближаются по совокупности показателей к нормальному элементу Вестона. Особый тип стабилитронов, высоковольтные лавинные диоды («подавители переходных импульсных помех», «супрессоры», «TVS-диоды») применяется для защиты электроаппаратуры от перенапряжений.
Трансформа́тор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.
Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении.
Основные характеристики активных радиоэлементов приведены в таблицах.
Таблица 1.1 – Характеристики светодиодов АЛ307Б
Параметры
|
АЛ307Б
|
Цвет свечения
|
красный
|
Длина волны,нм
|
655
|
Минимальная сила света Iv мин.,мКд
|
0.9
|
Максимальная сила света Iv макс., мКд
|
0.9
|
при токе Iпр.,мА
|
10
|
Видимый телесный угол,град
|
20
|
Таблица 1.2 – Основные характеристики диодов 1N4148
Параметры
|
1N4148
|
Максимальное постоянное обратное напряжение, В
|
100
|
Максимальное импульсное обратное напряжение, В
|
100
|
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток,А
|
0,2
|
Максимально допустимый прямой импульсный ток,А
|
0,45
|
Максимальный обратный ток, мкА 25гр
|
50
|
Максимальное прямое напряжение, В
|
1
|
Максимальное время обратного восстановления, нс
|
4
|
Таблица 1.3 - Основные характеристики ультрабыстрых диодов US1M
Параметры
|
US1M
|
Максимальное постоянное обратное напряжение, Vr
|
1000 В
|
Максимальный (средний) прямой ток на диод, If(AV)
|
1 А
|
Максимальное прямое напряжение при Tj=25 °C, Vf при If
|
1.7 В при 1 А
|
Время обратного восстановления, Trr
|
75 нс
|
Максимальный обратный ток при Tj=25 °C, Ir при Vr
|
5 мкА при 1000 В
|
Емкость при Vr, F
|
10 пФ при 4 В, 1 МГц
|
Рабочая температура PN-прехода
|
-55…+150 C
|
Таблица 1.4 - Основные характеристики стабилитронов BZV55C18
Параметры
|
BZV55C18
|
Мощность рассеяния,Вт
|
0.5
|
Минимальное напряжение стабилизации,В
|
16.8
|
Номинальное напряжение стабилизации,В
|
18
|
Максимальное напряжение стабилизации,В
|
19.1
|
Статическое сопротивление Rст.,Ом
|
50
|
при токе I ст,мА
|
5
|
Температурный коэффициент напряжения стабилизации аUст.,%/С
|
16
|
Максимальный ток стабилизации Iст.макс.,мА
|
28
|
Рабочая температура,С
|
-65…200
|
Таблица 1.5 - Основные характеристики транзисторов BС847 и BC857
Параметры
|
BС847
|
BC857
|
Структура
|
npn
|
pnp
|
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В
|
50
|
50
|
Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В
|
45
|
45
|
Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)
|
0.1
|
0.1
|
Статический коэффициент передачи тока h21э мин
|
110…800
|
220…475
|
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц
|
100
|
100
|
Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт
|
0.25
|
0.25
|
Таблица 1.6 - Основные характеристики полевых транзисторов IRLML6346
Параметры
|
IRLML6346
|
Структура
|
n-канал
|
Максимальное напряжение сток-исток Uси,В
|
30
|
Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс..А
|
3.4
|
Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс.,В
|
±12
|
Сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл. (Max) при Id, Rds (on)
|
0.063 ом при 3.4a, 4.5в
|
Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс..Вт
|
1.3
|
Крутизна характеристики, S
|
9.5
|
1.3 Расчёт параметров надёжности
Надёжностью называется свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам работы и условиям использования. Надёжность работы любого радиоэлектронного блока определяется несколькими факторами:
- вероятностью интенсивности отказов каждого радиоэлемента;
- температурным режимом работы;
- величиной коэффициента нагрузки каждого радиоэлемента.
Надёжность является одним из основных параметров изделия, поэтому при проектировании аппаратуры её следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчётов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделия
Безотказность РЭА характеризуется ее средней наработкой на отказ. У различных видов аппаратуры наработка на отказ составляет от 1000 до 5000 ч. Надежность РЭА определяется как безотказностью всего устройства, так и безотказностью отдельных комплектующих. Ремонтопригодность РЭА заключается в приспособленности РЭА к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (повреждений), поддержанию и восстановлению ее работоспособности путем проведения технического обслуживания и ремонта. В настоящее время практически вся РЭА ремонтопригодна.
Для расчёта надёжности была проанализирована работа схемы электрической принципиальной. Предварительно были определены коэффициенты нагрузки на каждый из радиоэлементов в соответствии с токами и напряжениями на каждом участке цепи. Сводные данные для расчёта надёжности по базовому составу элементной базы приведены в таблице
Таблица 1.6 – Расчет параметров надежности бытового дозиметра «Нанит»
Позиционное обозначение
|
Наименование и тип РЭА
|
Количество РЭА N, шт
|
Коэффициент нагрузки Кн
|
Температура t, 0С
|
Интенсивность отказов 0 10-6, 1/час
|
Поправочный коэффициент α
|
Суммарная интенсивность отказов N*α*0*10-6
|
C1-C17
|
Конденсаторы
КМ5-17
|
7
|
0.7
|
40
|
1.2
|
0.83
|
12,948
|
R1-R22
|
Резисторы
С1-4
|
22
|
0.1
|
40
|
0.10
|
0.45
|
0.675
|
DD1
DD2
DD3
|
Микросхемы
LTC4054-4.2
LCDдисплей
ATMega8
|
1
1
1
|
0.3
0.3
0.3
|
40
40
40
|
0.5
0.5
0.5
|
0.35
0.35
0.35
|
0.8
|
VD1-VD3
VD4
VD5-VD-7
VD8
|
Диоды
АЛ307Б
1N4148
US1M
BZV55C18
|
1
3
1
3
1
|
0.5
0.5
0,5
0.5
|
40
40
40
40
|
1.0
1.0
1,0
1.0
|
0.3
0.3
0.3
0,3
|
0.9
|
VT1
VT2
VT3
|
Транзисторы
BC857
IRLML6346
BC847
|
1
1
1
|
0.4
0.4
0.4
|
40
40
40
|
1.0
1.0
1.0
|
0.3
0.3
0.3
|
0.95
|
B1
|
Пьезоизлучатель
ЗП-3
|
1
|
0,4
|
40
|
1,1
|
0,35
|
0,385
|
SB1,SB2
|
Кнопки
|
2
|
0.6
|
40
|
1.1
|
0.35
|
0.41
|
L1, L2
|
Катушки индуктивности
|
2
|
0.1
|
40
|
0.10
|
0.45
|
0.675
|
-
-
|
Пайки
Печатные проводники
|
168
84
|
-
-
|
40
40
|
0,15
0,30
|
-
-
|
25,2
25,2
|
Итого
65,199
|
|
|
|
|
|
|
| |
Скачать 0.73 Mb.