Курсовой Цыбиногин. Задачи курсового проекта
 Скачать 287.25 Kb.
|
1 2 ВВЕДЕНИЕ Одним из важнейших направлений развития научно-технического прогресса в настоящее время является развитие электроники. Достижения электроники влияют на развитие общества. Современная электроника характеризуется сложностью и многообразием решаемых задач, высоким быстродействием и надёжностью. Разнообразные автоматические устройства плотно вошли во все сферы жизни современного человека. Нереально найти такую область знаний, в которой в том или ином виде не применяются автоматизированные устройства, которые могут работать самостоятельно, без вмешательства человека. Схемотехника этих устройств постоянно изменяется, подстраивается под новые, более сложные, требования. Производители выпускают новые, более совершенные, элементы которые позволяют построить все более миниатюрные, более универсальные и более мощные устройства, которые еще несколько лет назад считались недоступными. В курсовой работе необходимо провести описание принципиальной схемы автомата включения освещения, проанализировать элементную базу и подробно рассмотреть применяемые в устройстве полупроводниковые элементы, привести справочные данные и область применения этих элементов. Порою мы забываем выключить свет в подсобном помещении, скажем, в ванной комнате, и он горит понапрасну часами, «накручивая» показания счетчика. Такого не случится, если помещение будет оборудовано предлагаемым автоматом. Тогда при первом открывании двери, когда в помещение нужно войти, свет будет зажигаться, а при втором (когда выходят) – гаснуть. Задачи курсового проекта: анализ технологического задания на разработку устройства; выбор элементной базы, необходимой для изготовления устройства; выбор и описание материалов; описание сборки и монтажа печатного узла; оценка технологичности конструкции 1 Анализ существующих конструкций и выбор прототипа Назначение изделия и описание условий эксплуатации Автомат управления освещением – это устройство предназначение для автоматического обеспечения нужного количества света, где и когда это необходимо. Принцип работы данного устройства заключается в следующем: первое открытие двери, зажигает свет в нужном помещении, а второе открытие двери выключает его. При необходимости можно включить свет и вручную с помощью выключателя. Автомат питается от осветительной сети, а его управляющая цепь подсоединяется параллельно контактам имеющегося выключателя света в помещении. Определим условия эксплуатации автомата управления освещением, таблица 1.1 Таблица 1.1 – Условия эксплуатации
Определим вид климатического исполнения и группу эксплуатации автомата управления освещением. Вид климатического исполнения УХЛ 5.1 по ГОСТ 15150-69. Изделие предназначено для работы во влажных ограниченных пространствах без отопления и вентиляции, при наличии воды либо конденсата. Отсутствует воздействие прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного воздуха. В таблице 1.2 приведены климатические условия эксплуатации, соответствующие выбранному виду климатического исполнения. Таблица 1.2 – Значение атмосферного давления, температуры и влажности воздуха при эксплуатации
Группа эксплуатации изделия – С2 по ГОСТ 16019-2001, стационарная, устанавливаемая под навесом на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях. Анализ существующих конструкций и выбор прототипа Автомат (Рис.1) питается от осветительной сети, а его управляющая цепь подсоединяется параллельно контактам имеющегося выключателя света подсобного помещения. Поэтому при необходимости, скажем, уборки помещения, свет в нем можно зажечь наружным выключателем. Датчиком автомата является геркон (герметизированный контакт) SF1 с переключающими контактами. Его укрепляют на верхней перекладине дверной коробки в вертикальном положении и размещают вблизи геркона постоянный магнит. К двери же крепят стальной уголок, который при закрытой двери находится между герконом и магнитом, защищая геркон от магнитного поля. В этом случае контакты геркона занимают исходное положение, показанное на схеме. ТранзисторVT2 закрыт, тринистор VS1 выключен, диодный мост VD6 не шунтирует сетевой выключатель и свет в помещении не горит. Таково первоначальное состояние автомата.  Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная автомат управления освещением Постоянное напряжение для питания автомата снимается с блока, выполненного по схеме со стабилизацией выходного напряжения. В автомате могут быть использованы резисторы С1-4-0,25 или С1-4-0,125; конденсатор С1 – К50-6, остальные конденсаторы — любые малогабаритные. Геркон — любой из группы контактов на переключение. Кроме КТ815Б, на месте VT1 можно использовать любой транзистор серий КТ805, КТ807, КТ817, если немного доработать печатную плату и теплоотвод. Трензистор же КТ807Б следует установить на теплоотвод, прикрепляемый к плате. Транзистор VT2 может быть любой из серии КУ315. Вместо тринистора КУ202К подойдёт КУ202Н, КУ202Л, КУ202М, КУ201К, КУ201Л. Трансформатор питания Т1 — самодельный, выполненный на магнитопроводе ШЛ12×16. Обмотка I содержит 4400 витков провода ПЭВ-2 0,09, а обмотка II – 140 витков ПЭВ-2 0,51. Часть деталей автомата смонтирована на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Вместе с трансформатором питания плату укрепляют в корпусе с крышкой и размещают корпус вверху дверной коробки вблизи от геркона. 1.3 Описание проектируемой конструкции изделия Плата Автомата ПК 12.02.03.326.18.20.17 представляет собой прямоугольную печатную плату с отверстиями под установку, с установленными на нее элементами. Рассмотрим принципиальную схему автомата управления освещением Датчиком автомата является геркон (герметизированный контакт) SF1 с переключающими контактами. Его укрепляют на верхней перекладине дверной коробки в вертикальном положении и размещают вблизи геркона постоянный магнит. К двери же крепят стальной уголок, который при закрытой двери находится между герконом и магнитом, защищая геркон от магнитного поля. В этом случае контакты геркона занимают исходное положение, показанное на схеме. ТранзисторVT2 закрыт, тринистор VS1 выключен, диодный мост VD6 не шунтирует сетевой выключатель и свет в помещении не горит. Таково первоначальное состояние автомата. Как только дверь открывают и входят в помещение, стальной уголок отдаляется то геркона. Поле магнита воздействует на геркон, и его подвижная пластина перемещается от одной контактной пластины к другой. Уровень логического 0 переходит с входного вывода R триггера DD1.1 на вывод S. В итоге на инверсном выходе триггера DD1.2 появляется уровень логической 1, открываются транзисторVT2 и тиристор VS1. Диодный мост шунтирует выключатель освещения и свет в помещении вспыхивает. Триггер DD1.1 необходим для защиты автомата от дребезга контактов геркона, а DD1.2 выполняет роль счетчика по модулю 2. При закрытии двери стальной уголок вновь войдет в промежуток между герконом и магнитом. Контакты геркона установятся в исходное состояние, но уровень логического сигнала на инверсном выходе триггера DD1.2 не изменится. Свет в помещении будет гореть. Когда же дверь откроют вторично, чтобы выйти из помещения, вновь "срабатывает" геркон. Но на этот раз на инверсном выходе триггера DD1.2 логический сигнал изменится на противоположный, транзистор VT2 закроется, тринистор включиться и свет погаснет. После закрывания двери автомат вернётся в исходное состояние. Постоянное напряжение для питания автомата снимается с блока, выполненного по известной схеме со стабилизацией выходного напряжения. В автомате могут быть использованы резисторы С1-4-0,25, конденсатор С1 –К50-6, остальные конденсаторы — SMD. Геркон — любой из группы контактов на переключение. Кроме КТ807Б, на месте VT1 можно использовать любой транзистор серий КТ805, КТ815, КТ817, если немного доработать печатную плату и теплоотвод. Транзистор же КТ807Б следует установить на теплоотвод, прикрепляемый к плате. Транзистор VT2 может быть любой из серии КТ315. Вместо тринистора КУ202К подойдёт КУ202Л, КУ202М, КУ202Н, КУ201К, КУ201Л. Трансформатор питания Т1 — самодельный, выполненный на магнитопроводе ШЛ12×16. Обмотка I содержит 4400 витков провода ПЭВ-2 0,09, а обмотка II–140 витков ПЭВ-2 0,51. Часть деталей автомата смонтирована на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Вместе с трансформатором питания плату укрепляют в корпусе с крышкой и размещают корпус вверху дверной коробки вблизи от геркона. 1.4 Расчёт элементов принципиальной электрической схемы Проводим расчет выпрямителя. 1. Определяем сопротивление нагрузки по формуле  (1.1)где U0 – выпрямленное напряжение, В: U0 = 5В; I0 – ток в нагрузке, А: I0 = 1А.  2. Определяем мощность нагрузки по формуле  (1.2) 3. Исходя из требований к схемам выпрямления, т.е. при мощности менее 1 кВт, выбираем однофазную мостовую схему выпрямления. 4. Определяем сопротивление трансформатора по формуле  (1.3)где j – средняя плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм2: j = 2 А/мм2; В – магнитная индукция, Т: В = 1,5 Т.  5. Для определения сопротивления диода в прямом направлении rТР, выбираем тип диода по следующим параметрам: средний выпрямленный ток  (1.4) =0,5А.амплитуда обратного напряжения (  1.5) По справочнику выбираем вентиль КД247Г, имеющий параметры: IПР.СР.MAX = 1 А; UОБР.MAX = 400 В; UПР = 1,3 В. Определяем сопротивление вентиля формуле  (1.6) 6. Определяем сопротивление фазы выпрямителя  (1.7) 7. Определяем параметр А  (1.8) 8. Определяем параметры В, D, F В = 0,95; D = 2,4; F = 8. 9. Определяем напряжение на вторичной обмотке трансформатора по формуле  (1.9) 10. Определяем ток во вторичной обмотке трансформатора по формуле  (1.10) 11. Определяем ток первичной обмотки трансформатора по формуле  (1.11) где U1 – напряжение на первичной обмотке трансформатора, В: U1= 220 В; U2 – напряжение на вторичной обмотке трансформатора, В: U2= 4.75 В. 12. Определяем габаритные мощности первичной и вторичной обмоток по формуле  (1.12) 13. Определяем требуемое уточненное обратное напряжение на вентиле по формуле  (1.13) 14. Определяем требуемое уточненное значение тока вентиля по формуле  , (1.14) 1.57.15. Определяем уточненное значение среднего тока вентиля по формуле  (1.15) .16. Определяем максимальный ток по формуле  (1.16) В результате расчета можно сделать вывод, что выбранная диодная сборка проходит по всем показателям. 1.5 Выбор элементной базы Выбор элементной базы производится в соответствии с условиями эксплуатации. Характеристика элементной базы приведена в таблице 1.3. Таблица 1.3 - Характеристика элементной базы
Диапазон рабочей температуры, ударные вибрационные и механические нагрузки элементов соответствуют условиям эксплуатации. 1.6 Выбор САПР для выполнения курсового проекта «Компас» - семейство систем автоматизированного проектирования с возможностями оформления проектной и конструкторской документации согласно стандартам серии ЕСКД и СПДС. Разрабатывается российской компанией «Аскон». Название линейки является акронимом от фразы «комплекс автоматизированных систем». В торговых марках используется написание заглавными буквами: «КОМПАС». Программа позволяет строить 2D и 3D чертежи любых назначения и сложности с максимальной точностью. Пользователи Компас всегда имеют под рукой эффективную систему документации. Она позволяет создавать разнообразные проекты, работать с таблицами и текстовыми вставками, ускоряет проверку чертежей, а также взаимодействует с MS Excel. Для работы с двухмерными проектами лучшей утилиты просто не найти, она располагает всеми необходимыми инструментами. Программы данного семейства автоматически генерируют ассоциативные виды трёхмерных моделей (в том числе разрезы, сечения, местные разрезы, местные виды, виды по стрелке, виды с разрывом). Все они ассоциированы с моделью: изменения в модели приводят к изменению изображения на чертеже. Программа обладает удобным интерфейсом, пользователю доступно масштабирование изображений, а также панорамные функции. Кроме основного функционала для составления чертежей, утилита посредством ссылок позволяет выполнять привязку объектов, которые хранятся в базе данных. Еще один дополнительный и весьма полезный инструмент Компас – вывод на печать нескольких чертежей одновременно. Компас поддерживает импорт DXF и DWG форматов файлов: -DWG - закрытый формат, разрабатываемый непосредственно утилитой; -DXF-открытый формат, используется для обмена данными с пользователями иных САПР; -DWF – для публикации 3D-моделей и чертежей. Все перечисленные форматы позволяют работать с несколькими слоями, в результате чего проектирование становится особенно удобным, такой способ позволяет над каждым объектом трудиться по отдельности. Слои при необходимости можно отключать, делая тем самым объекты невидимыми. Компас позволяет эффективно и легко разрабатывать проекты, визуализировать их, составлять проектную документацию. Microsoft Word - текстовый процессор, предназначенный для создания, просмотра и редактирования текстовых документов, с локальным применением простейших форм таблично-матричных алгоритмов. Текстовый редактор позволяет существенно облегчить работу по написанию текстов. Ведение корреспонденции, обработка текста, создание деловой и официальной переписки. Выгодными особенностями программы являются ее функциональность и простота использования. Microsoft Word обеспечивает простое и удобное форматирование текстового файла за счет продуманных инструментов и понятного интерфейса. Среди функциональных возможностей программы можно отметить: -наличие целого ряда шрифтов разного размера и начертания символов; - наличие способов выделения текста; - возможность установить параметры абзацев, междустрочные интервалы; - возможность проведения автоматической проверки правописания, подбора синонимов; - автоматическая нумерация страниц и переносы слов на новую строку; - возможность создания таблиц и гипертекста со ссылками и многое другое. 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ УСТРОЙСТВА 2.1 Выбор материалов для изготовления печатной платы В качестве основания печатных плат используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики – гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт, керамические материалы и металлические пластины. При выборе материала основания печатной платы необходимо обратить внимание на следующее: - предполагаемые механические воздействия; - класс точности; - реализуемые электрические функции; - быстродействие; - условия эксплуатации. Фольгированные диэлектрики применяют в субтрактивных методах изготовления печатных плат. По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее водопоглащение. Однако стеклотекстолитам присущи недостатки: невысокая нагревостойкость; худшая механическая обрабатываемость. Выбираем в качестве материала печатной платы стеклотекстолит односторонний фольгированный марки СФ-1-35-1,5, с толщиной медной фольги 35 мкм. Параметры выбранного материала для изготовления печатной платы: - водопоглащение, % - 0,3; - предел рабочих температур, ºС - -60…+105; - сопротивление изоляции, Мом - 104; - тангенс угла диэлектрических потерь – 0,014; - диэлектрическая постоянная – 4,3. 2.2 Компоновочный расчёт печатной платы Для определения размера печатной платы произведем ориентировочную оценку площади, занимаемую элементами по формуле:  , (2.1)где  - коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации аппаратуры;  ; - установочная площадь i-го элемента.Установочную площадь элемента определяют, как площадь прямоугольника, размеры которого зависят от внешних предельных очертаний установочной проекции элемента на поверхность печатной платы, включая отформованные выводы. Установочные площади элементов приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 - Установочные площади элементов
Определим площадь по формуле (2.1): S∑=3*1695=5087,49. Согласно ГОСТ 10317-79 размер каждой стороны печатной платы должен быть кратен 2,5 мм. Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1. Предварительно выбираем размер печатной платы 100х70 мм, так как при компоновке данный размер может увеличиться в большую сторону в зависимости от расположения элементов на печатной плате. Под компоновкой функционального узла понимают размещение элементов, деталей на печатной плате. При размещении элементов на печатной плате необходимо предусмотреть: - обеспечение наиболее простой трассировки; - требуемую плотность компоновки; - исключить взаимные влияния элементов печатного монтажа; - обеспечить малые габаритные размеры. По результатам компоновки размер печатной платы составляет 92,5х55 мм. 2.3 Расчёт размеров элементов печатного монтажа Основными критериями при выборе класса точности ПП являются: - конструкторская сложность функционального узла; - элементная база; - тип, число и шаг выводов ЭРЭ; - условия эксплуатации; - максимальный ток и напряжение. Произведем выбор класса точности ПП. В проектируемой конструкции изделия применяются элементы имеющие штыревые выводы, применим 3 класс точности печатной платы по ГОСТ Р 53429-2009. Конструкция проектируемой печатной платы – односторонняя (ОПП). В таблице 2.2 приведены параметры 3 класса точности ПП. Таблица 2.2 – Основные параметры по выбранному классу точности ПП.
Произведем расчет минимальной ширины печатного проводника по методике из [2]. Минимально допустимую ширину проводника bmin, мм, по постоянному току для цепей питания с учетом токовой нагрузки определяют по формуле:  , (2.2)где Imax - максимальный постоянный ток, протекающий в проводнике (определяется из анализа электрической схемы), А;  - допустимая плотность тока, зависит от метода изготовления, определяется по [2], А/мм2; - толщина печатного проводника, мм.Допустимая плотность тока для печатных проводников получаемых химическим негативным методом jдоп=60А/мм2, толщина фольги для марки стеклотекстолита СФ-1-35-1,5 hф=0,035мм. Определим минимальную ширину печатного проводника при максимальном постоянном токе I  max=1A по формуле (2.2):  .Минимально допустимую ширину печатного проводника bmin2, мм, с учетом падения напряжения на нем определяют по формуле:  , (2.3)где ρ - удельное сопротивления слоя меди,  ; ρ=0,0175;l- длина проводника, м;  - допустимое падение напряжения на проводниках, не должно превышать более 5% от питающего напряжения.Определим минимальную допустимую ширину печатного проводника для цепи питания при максимальной длине проводника l=0.12м по формуле (2.3):   .Минимальную ширину проводника выбираем их условия:  . (2.4)Определим минимальную ширину печатного проводника (2.4):  , .Для 3 класса точности ГОСТом устанавливается минимальная ширина проводника 0,25 мм. Задаемся шириной проводника равной 1,0 мм. Номинальное значение диаметра монтажного отверстия d, мм определяют по формуле:  , (2.5)где dэ - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;  - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм; - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого ЭРЭ; r=0,1…0,4.Объединим элементы по диаметрам монтажных отверстий в группы в следующем порядке: - 1 группа, диаметр выводов от 0,5 до 0,6 мм включительно; - 2 группа, диаметр выводов от 0,8 до 1,0 мм включительно; - 3 группа, диаметр выводов 6 мм; По ГОСТ Р 53429-2009 нижнее предельное отклонение для диаметра отверстия до 1 мм ∆dн.о.= -0,05 мм. Определим номинальное значение диаметра монтажного отверстия для групп элементов соответственно по формуле (2.5):  ,, ,, ,Сводим диаметры отверстий к предпочтительному ряду:  , , Произведем расчет диаметра контактных площадок по формуле:  , (2.6)где: ∆dв.о. - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия для выбранного класса точности, мм; b - гарантийный поясок, мм; ∆tв.о. - верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции, мм; ∆tн.о. - нижнее предельное отклонение размеров элементов конструкции, мм; Td - позиционный допуск расположения осей отверстий, мм. Определим диаметры контактных площадок по формуле (2.6): D=0,8+0,05+2·0,1+0+0,05+[0,082+0,152+(-0,05)2]1/2=1,27≈1,3мм D=1.2+0,05+2·0,1+0+0,05+[0,082+0,152+(-0,05)2]1/2=1,677≈1,7мм D=6,2+0,1+2·0,1+0+0,05+[0,082+0,152+(-0,1)2]1/2=6,747≈6,8мм 2.4 Расчёт паразитных емкости и индуктивности печатных проводников Проведем расчет паразитных емкостей и индуктивностей печатных проводников для DD1 и С1 как наиболее длинных и способных оказать влияние на изменение его частоты. Определим сопротивление проводника R, Ом, по формуле:  , (2.7)где ρ - удельное объемное сопротивление проводника, ;  ; - длина проводника, м;   - ширина проводника, мм;  ; - толщина фольги, мм;  . .Определим падение напряжения на печатном проводнике ∆U, B, по формуле:  , (2.8)где v - плотность тока в проводнике, А/мм2;  .  .Определим емкость  между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенными на одной стороне платы по формуле: , (2.9)где  - диэлектрическая проницаемость; - длина участка, на котором проводники параллельны друг другу, мм; ; - расстояние между параллельными печатнымипроводниками, мм;  ; - ширина проводника, мм; ; - толщина проводника, мм; .При указанном расположении проводников линии электрического поля проходят частично через воздух, частично через изоляционную плату, поэтому в формулу (2.9) необходимо подставить среднеарифметическое значение диэлектрической проницаемости воздуха и изоляционной платы:  , (2.10)где  - диэлектрическая проницаемость материала основания платы;  .  , .Определим собственную индуктивность печатного проводника  по формуле: , (2.11) .Определим индуктивность двух параллельных печатных проводников расположенных с одной стороны ПП с зазором, с противоположным направлением тока в них по формуле: , (2.12) .Взаимную индуктивность проводников  определим по формуле: , (2.13) .Значения паразитной индуктивности и емкости не оказывают влияния на частоту генератора. 3 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ 3.1 Оценка технологичности При оценке технологичности изделия его относят к определенной группе блока. Для электронного блока определяют семь базовых показателей согласно ОСТ 4.ГО.091.219: -  - коэффициент использования микросхем и микросборок;-  - коэффициент автоматизации и механизации монтажа;-  - коэффициент механизации подготовки к монтажу;-  - коэффициент механизации контроля и настройки;-  - коэффициент повторяемости ЭРЭ;-  - коэффициент применяемости ЭРЭ;-  - коэффициент прогрессивности формообразования деталей.Базовые показатели определяются по следующим формулам. Коэффициент использования микросхем и микросборок определяется по формуле:  , (3.1)где  - число интегральных микросхем и микросборок; - количество других навесных элементов.Коэффициент автоматизации и механизации монтажа определяют по формуле:  , (3.2)где  - количество монтажных соединений осуществляемых автоматизированным или механизированным способом; - общее количество монтажных соединений.Коэффициент механизации подготовки к монтажу определяют по формуле:  , (3.3)где  - число ЭРЭ, подготовка которых к монтажу осуществляется механизированным способом; - общее количество навесных элементов.Коэффициент механизации контроля и настройки определяют по формуле:  , (3.4)где  - количество операций контроля и настройки, которые можно осуществить механизированным способом; - общее количество операций контроля и настройки.Коэффициент повторяемости ЭРЭ определяют по формуле:  , (3.5)где  - общее количество типоразмеров ЭРЭ.Коэффициент применяемости ЭРЭ определяют по формуле:  , (3.6) где  - количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ.Коэффициент прогрессивности формообразования деталей определяют по формуле:  , (3.7)где  - количество деталей изготавливаемых прогрессивными методами формообразования; - общее количество деталей в блоке. 1 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||