Исходя из расчетных данных выбираем резистор r5 типа с1-4 1.1 кОм 0,125Вт 10%.

Определяем величину емкости конденсатора на входе фильтра по формуле:

(2.9)

Выбираем электролитический конденсатор емкостью: С2= 220 мкФ.

Определяем величину номинального напряжения конденсаторов по формуле:

(2.10)

Принимаем величину номинального напряжения конденсаторов: Uc = 25 В.

Определяем величину коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра по формуле:

(2.11)

Определяем величину обратного напряжения для выбора типа диодов по формуле:

(2.12)

где U_вып – выпрямленное напряжение на нагрузке.

Определяем величину среднего тока по формуле:

(2.13)

где – выпрямленный ток.

В соответствии с полученными расчетными данными выбираем диодную сборку типа 1N4002 (КЦ405А).

Рисунок 6 – Диодная сборка типа 1N4002 (КЦ405А).

Определим величину сопротивления трансформатора по формуле:

(2.14)

Определяем величину напряжения на вторичной обмотке трансформатора по формуле:

(2.15)

Определяем величину токов по формуле:

(2.16)

(2.17)

Определяем величину габаритной мощности трансформатора по формуле:

(2.18)

Рисунок 7 – Трансформатор ТПП-221-127/220В.

Из справочника находим стандартный трансформатор типа ТПП-221-127/220В.

Выбор предохранителей осуществляем по рабочему напряжению и току. Номинальное напряжение предохранителей должно выбираться равным номинальному напряжению сети. Номинальный ток предохранителя следует выбирать минимальным. При этом плавкая вставка не должна перегорать при прохождении по ней максимального длительного тока нагрузки.

Рассчитаем ток предохранителя по формуле:

(2.19)

Где – ток первичной обмотки трансформатора.

Выбираем предохранитель. Впт6-5, 0.25 а, 250 в

2.1.2 Расчет электронного ключа

Рисунок 8 - Схема электронного ключа

Для создания оптического сигнала применяется светодиод HL2 марки АЛ307БМ

По справочнику этот светодиод имеет параметры:

I = 5-20мА

U = 2В

Для расчета выбираем рабочий ток 10мА. По этим находим транзистор VT4 КТ315А который по справочнику имеет следующие параметры:

I _KmaxA– 100мА

U _КЭносВ– 0.9В

h _21E– 50В

U _БЭносB– 1.35В

I _КЭносB– 1мА

Выбираем ток на коллекторе транзистора равным 10 мА.

Рассчитываем базовый ток транзистора VT4 по формуле:

I_Б1= = = 0.2 мА (2.20)

Величина базового тока зависит от резистора R16 который рассчитывается по формуле:

R₁₆= = = =40.6 кОМ (2.21)

Где U_Р- напряжение питания равная 12В, U_VDD- падение напряжения на выходе микросхемы DD1.3 марки К561ЛЕ10-0.5В

Выбираем резистор марки С1-4-0.125-43кОМ

2.1.3 Расчет сечения и длины проводов для схемы подключения

Электрические сети должны удовлетворять многим технико-экономическим требованиям, из которых отметим основные: безопасность для жизни и здоровья людей, пожарная безопасность, надежность и бесперебойность электроснабжения, высокое качество электроэнергии (прежде всего отклонение напряжения в сети от номинального напряжения электроприемников должно быть в допустимых пределах), высокая экономичность (наименьшие капитальные и эксплуатационные расходы).

Выполнение этих и других требований обеспечивается правильным выбором материалов, проводов и кабелей, высоким качеством строительной части и монтажа, выполнением всех правил ПУЭ. Рассмотрим вопросы выбора проводов и кабелей применительно к монтажу системы автомата управления на участке термической стабилизации.

Определим сечение провода для подключения блока управления к сети на напряжение 220 В.

Найдем номинальный ток при напряжении сети равному 220 В по формуле:

I_н = P_р/U_н, (2.21)

где P_р – расчетная мощность трансформатора;

U_н – номинальное напряжение сети.

I_н=4,32/220 = 0,02 А.

Определим сечение провода по формуле:

S = I_н/J, (2.22)

где J – допустимая плотность тока для выбранного типа проводов

S = 0,02/3 = 0,006 мм²

Сечение проводников выбираются с учетом допустимой плотности тока и требований ПУЭ по обеспечению электробезопасности. Выбранный проводник должен удовлетворять обоим требованиям.

В соответствии с ПУЭ проводники выбираются по максимальному длительному току и рабочему напряжению.

Для одиночных медных проводов, прокладываемых открыто, для токов менее 6 А и по условиям прокладки минимально допустимое сечение жилы 0,5 мм² (таблица 1.3.4 [ПУЭ]), что больше рассчитанного 0,006 мм². Выбираем провода ПВ-1 (0,5 мм²) для монтажа цепей внутри щитка.

Для монтажа силовых цепей: подключение к распределительному щиту выбираем трехжильный алюминиевый кабель с ПВХ изоляцией. В соответствии с таблицей 1.3.5 [ПУЭ] для кабеля, прокладываемого в трубе, для тока 7,2 А и менее минимально допустимое сечение 1,5 мм². Выбираем кабель АВВГ.

В соответствии с расположением элементов на схеме подключения определяем длину проводов по формуле для подключения :

l = Σl_i + l_o, (2.23)

где l_o – запас длины провода для монтажа и перемонтажа;

l – длина кабеля;

l_i – длина проводников по отдельным элементам.

Определим длину кабеля для подключения распределительного щита к охранной сигнализации

L₁ =11+1= 12 м

Для подключения распределительного щита к устройству выбран трехжильный кабель АВВГ.

Определим длину кабеля для подключения датчиков к охранной сигнализации по формуле

L₂ =9+1= 10 м

Определим длину кабеля для подключения сирены к охранной сигнализации.

L₃=11+1= 12 м

Расчет сечения провода от охранной сигнализации до датчика

(2.24)

гдеS – сечение жилы провода, мм²;

L - длина провода, м;

P – мощность нагрузки, Вт;

ΔU – допустимое падение напряжения на участке, (%);

Uн² – номинальное напряжение устройства, (U).

(мм²)

Исходя из рассчитанных данных, в соответствии с ПУЭ выбираем кабель двужильный ШВВП сечением S=0,15 мм².

Расчет сечения провода от сирены к охранной сигнализации:

(мм²)

Исходя из рассчитанных данных, в соответствии с ПУЭ выбираем кабель двужильный ПИВ сечением S=2,5 мм².

Расчет сечения провода от охранной сигнализации до датчика:

2.1.4 Расчет затрат электроэнергии за год.

Рассчитываем потребляемую энергию изделия за год по формуле:

Эгод= (Роб*Т)/(Кс*Ки) (2.25)

где Роб – потребляемая мощность сигнализации, Вт

Т – время работы изделия за год, час

Кс – коэффициент, учитывающий потери в сети (0,9)

Ки - коэффициент, учитывающий потери в автомате (0,7)

Если учесть, что рабочий день 8 часов, то можно узнать количество часов работы сигнализации в будние дни за неделю:

9 5=45 часов.

Рассчитаем кол-во часов работы сигнализации за 4 недели:

45 4=180 часов.

Теперь возьмем в расчет выходные за 4 недели:

24 4=96 часа.

4 недели приравниваем как 1 месяц и складываем суммарное кол-во часов работы сигнализации за месяц:

96+180=276 часов.

Если учесть, отпуск, равный приблизительно 1 месяц, то получается сигнализация работает 11 месяцев:

276 11=3036 часов.

Следовательно, потребляемая электроэнергия будет равна:

Эгод= (4,32 3036)/0,9 0,7 = 20,818 кВт час

2.1.5 Расчёт надёжности устройства

Надёжность – это свойство изделия выполнять заданные функции в определённых условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах. Она играет огромную роль в промышленности и на производстве, так как позволяет сократить экономические расходы на ремонт и обслуживание радиоэлектронных средств. Надёжность – это свойство изделия, которое зависит от количества и качества входящих в него компонентов, от условий, в которых оно эксплуатируется, и от ряда других причин. В понятие надёжности входят такие понятия как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость.

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки, при этом нарушение работоспособности может быть постепенным, внезапным и условным.

Постепенные отказы вызываются постепенным изменением элементов схемы и конструкции.

Внезапные отказы проявляются в виде скачкообразного изменения параметров аппарата.

Условные отказы проявляются в нарушении вторичных параметров изделия.

Все изделия можно условно разделить на две группы: восстанавливаемые и невосстанавливаемые: у восстанавливаемых в случае возникновения отказа работоспособность можно восстановить, у невосстанавливаемых изделий отказы не восстанавливаются.

Рассмотренные определения дают качественную характеристику надёжности.

Для сравнения различных типов изделий имеются количественные характеристики надёжности.

Одной из таких характеристик является средняя наработка до отказа Тср – величина, определяемая из суммарного количества часов t, которое проработало выборочное количество аппаратов и числа возникших при этом отказов K :

Т_ср= t/К, (2.26)

где t - суммарное количество часов;

К – число возникших отказов.

Средняя наработка до отказа является статической величиной, определяющей гарантийные обязательства предприятий.

Интенсивность отказов λ–величина, обратная средней наработке до отказа, которая показывает, какая доля всех элементов данного типа в среднем выходит из строя за один час работы:

λ=1/Тср, (2.27)

Вероятность безотказной работы P(t) – величина, показывающая, какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного времени t:

0≤P(t)≤1,

Вероятность безотказной работы связана с интенсивностью отказов следующим соотношением:

, (2.28)

где е – основание натурального логарифма;

λ – интенсивность отказов.

Надёжность элементов является одним из факторов, существенно влияющих на интенсивность отказов аппаратуры в целом.

Влияние внешних факторов на надёжность элементов оценивается с помощью коэффициента нагрузки, определяемого как отношение фактического значения нагрузки αф к номинальному αн:

К_н=α_ф/α_н, (2.29)

Надёжность изделия рассчитывается в следующем порядке:

Определяем все элементы, отказ которых может привести к отказу изделия. Для этих элементов по справочнику и по таблице надёжности определяем значение номинальной интенсивности отказов λ0*0,000001, 1/ч(для К_н=1 и Т=20С);

Для каждого элемента задаёмся приблизительным значением коэффициента нагрузки К_н;

По таблице определяем значение коэффициента К₁ и K₂, учитывающего влияние электрической нагрузки и температуры, а также коэффициента нагрузки;

Для каждого элемента рассчитываем значение реальной интенсивности отказа λ, 1/ч по формуле:

λ_i=λ₀×K₁×K₂, (2.30)

где К₁ и К₂ коэффициенты, берутся из справочника.

Определяем интенсивность отказов изделия λ, 1/ч по формуле:

, (2.31)

где λi – значение реальной интенсивности отказов.

Определяем среднюю наработку изделия до первого отказа Т_ср ,ч по формуле:

Т_ср=1/λ, (2.32)

Определяем вероятность безотказной работы изделия P(t) за 10000 часов по формуле:

(2.33)

Изделие считается надёжным, если P(t)›0,8.

Необходимые для расчёта данные сводим в таблицу 2.1.5 – Расчет надежности.

Таблица 2.1.5 – Расчет надежности

Элемент	Кол - во	λ0×10-7	К1	К2	Кн	λi×10-7
Датчики	4	5	0,2	0,5	1	4
Диоды	5	0,2	0,5	1	0,5	0,5
Кнопки	10	0,02	0,2	1	10	0,04
Конденсаторы	7	0,55	0,1	1	0,5	0,38
Микросхемы	2	1	0,8	1	0,7	1,6
Пайки	132	0,06	1	0,8	1	6,34
Плата	1	0,02	1	0,4	1	0,008
Предохранители	2	0,2	1,04	1,03	0,4	0,42
Провода монтажные	3	0,3	0,8	1	1	0,72
Светодиоды	2	0,7	0,2	1	10	0,28
Сирена	1	5	0,5	1	0,7	2,5
Резисторы	17	0,05	1	0,8	0,7	0,68
Транзисторы	4	0,4	0,6	1	0,5	0,96
Трансформатор	1	0,9	1,04	1,03	0,4	0,96
Тумблер	1	0,01	0,2	1	10	0,002
ИТОГО:						19,61

Рассчитаем надёжность.

Рассчитаем интенсивность отказов датчиков по формуле:

λ_iдт = λ₀×K₁×K₂×n (2.34)

λ_iдт=5×10^-7×0,2×0,5×4=2×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов диодов по формуле:

λ_iд= λ₀×K₁×K₂×n (2.35)

λ_iд=0,2×10^-7×0,5×1×5=0,5×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов конденсаторов по формуле:

λ_iк= λ₀×K₁×K₂×n (2.36)

λ_iк=0,55×10^-7×0,1×1×7=0,38×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов микросхем по формуле:

λ_iм.с= λ₀×K₁×K₂×n (2.37)

λ_iм.с= 1×10^-7×0,8×1×2=1,6×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов пайки по формуле:

λ_iп= λ₀×K₁×K₂×n (2.38)

λ_iп=0,06×10^-7×1×0,8×132=6,34×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов платы по формуле:

λ_iпл= λ₀×K₁×K₂×n (2.39)

λ_iпл =0,02×10^-7×1×0,4×1=0,008×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов предохранителя по формуле:

λ_iпр= λ₀×K₁×K₂×n (2.40)

λ_iпр=0,2×10^-7×1,04×1,03×2=0,42×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов монтажных проводов по формуле:

λ_iм.п= λ₀×K₁×K₂×n (2.41)

λ_iм.п=0,3×10^-7×0,8×1×3=0,72×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов резисторов по формуле:

λ_iр= λ₀×K₁×K₂×n (2.42)

λ_iр=0,05×10^-7×1×0,8×17=0,68×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов светодиодов по формуле:

λ_iсвд= λ₀×K₁×K₂×n (2.43)

λ_iсвд=0,7×10^-7×0.2×1×2=0,28×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов сирены по формуле:

λ_iс= λ₀×K₁×K₂×n (2.44)

λ_iс=5×10^-7×0,5×1×1=2,5×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов транзисторов по формуле:

λ_iтр= λ₀×K₁×K₂×n (2.45)

λ_iтр=0,4×10^-7×0,6×1×4=0,96×10^-7

Рассчитаем интенсивность отказов трансформатора по формуле:

λ_iт= λ₀×K₁×K₂×n (2.46)

λ_iт=0,9×10^-7×1,04×1,03×1=0,96×10^-7

λ=λ_iдт+λ_iд+λ_iк+λ_iм.с+λ_iп+λ_iп.л+λ_iпр+λ_i+λ_iм.п+λ_iр+λ_iсвд+λ_iс+λ_iтр (2.47)

λ=(4+0,8+0,04+0,38+1,6+6,34+0,008+0,42+0,72+2,5+0,68+0,96+0,96)×10⁷=

=19,61×10^-7

Рассчитаем среднюю наработку на отказ изделия, по формуле:

Т_ср=1/λ, (2.48)

Т_ср=1/19,61×10^-7=509943,9ч

Вероятность безотказной работы рассчитаем по формуле :

(2.49)

=0,98

Основные расчётные параметры надёжности устройства следующие:

-средняя наработка изделия до первого отказа Тср=509943,9ч

-вероятность безотказной работы изделия P(t)=0,98.

Устройство является надёжным, так как его вероятность безотказной работы P(t)=0,98 приблизительно равна единице.

2.2 Конструктивный раздел.

2.2.1 Микросхема К561ЛЕ10

К561ЛЕ10 содержат по три трёхвходовых базовых элемента ИЛИ с инверсией выходного сигнала (Рисунок 9)

X1	X2	X3	Y
0	0	0	1
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	0

Рисунок 9 –микросхема К561ЛЕ10 и таблица истинности

Параметры микросхемы

Светодиод АЛ307БМ

Для световой сигнализации будем использовать светодиоды типа АЛ307БМ (рисунок 10) со следующими параметрами: цвет свечения - красный;

Рисунок 10 – Схема светодиода АЛ307БМ

-Lmin – 650нм

-Lmax – 675нм

-Uпр – 2 В

-Iпр – 22 мА

Трансформатор ТПП208

Трансформатор ТПП208, предназначен для понижения напряжения с 220 В до 12 В (Рисунок 11)

Рисунок 11 - трансформатор ТПП221

Параметры трансформатора

- напряжение вторичной обмотки 2,48 В

- ток вторичной обмотки 0,0041 А

- мощность 5.5 Вт

- частота тока 50 Гц

2.2.1.1 Схемы соединений и подключений

2.2.1.2 Описание конструкции изделия

Корпус устройства выполнен из ударопрочного полистирола марки УПМ-0508 методом литья под давлением. Он состоит из основания и крышки. Корпус имеет следующие габаритные размеры: ширина - 160мм, длинна-110мм, высота - 70мм. Внутри корпуса крепится печатная плата на установочные стойки при помощи четырех шурупов. Так же внутри корпуса размещен сетевой трансформатор TV1, который крепится при помощи крепежной скобы. На задней панели находятся плата и трансформатор. На правом торце располагаются 2-а разъёма для сирены. На нижнем торце имеется наборная панель, и два разъёма для подключения датчиков. На верхнем торце расположено 2 разъема для подключения светодиодов. Разъемы крепятся к корпусу при помощи винтов М3 с гайками.

Схема электрическая соединений охранной сигнализации представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 – Схема электрическая соединений охранной сигнализации.