2.2 Проектирование цифрового устройства

Разработаем электрическую схему электронного динамика (рисунок 2.3).

Основой устройства будет служить динамик совместно с полевыми транзисторами КП103Е (VT1, VT2) формирует весь му­зыкальный рисунок.

Рисунок 2.3 – Схема принципиальная электронного динамика

Резисторы R1 и R2-R4, , а также транзисто­ры VT1 и VT2, работающие в ключевом режиме, являются элементами внутрен­него генератора микросхемы.

Управление звонком осуществляется при поступлении входного сигнала.

Работает устройство следующим об­разом. В момент включения питания тран­зистор VT2 окажется закрытым (забло­кированным) через диод VD1. Поэтому только резистор R4 будет подключаться параллельно резистору R3 через сток-исток транзистора VT1, управляемого (периодически закрываемым) положи­тельными импульсами с выхода Т3 мик­росхемы.

Спустя некоторое время на выходе М микросхемы появится напряжение низ­кого уровня. Теперь диод VD1 закроет­ся, транзистор VT2 разблокируется и бу­дет управляться (периодически закры­ваться) импульсами высокого уровня с выхода Т2 микросхемы. Резисторы R4 и R5 станут поочередно или одновремен­но подключаться параллельно резистору R3 через сток-исток транзисторов VT1 и VT2 соответственно, образуя такты из трех нот мелодии.

Результирующий сигнал, снимаемый с выхода микросхемы, усиливается по мощности транзистором VT3. Небольшая мощность, рассеиваемая этим транзис­тором (не более 0,7 Вт), позволяет обой­тись без теплоотвода.

Уровень громкости воспроизводимой мелодии устанавливают подстроенным резистором.

2.3 Выбор элементной базы

Применяемые в устройстве гальванической развязки непроволочные постоянные резисторы (С2-33Н), предназначены для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах, содержат резистивный элемент в виде очень тонкой (десятки доли микрометра) металлической плёнки, осаждённой на основании из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Непроволочные постоянные резисторы менее стабильны по сравнению с проволочными, но на ряду с этим имеют меньшие габариты, их сопротивление менее зависит от частоты и напряжения, они значительно дешевле. Поэтому в аппаратуре непроволочные резисторы применяются значительно чаще, чем проволочные.

Минимальный срок сохраняемости, лет 25

Диапазон рабочих температур, 25 от-60 до +70

Следовательно, непроволочные постоянные резисторы типа С2-33Н подходят для использования в проектируемом устройстве.

Для устройства выбраны кремниевые диоды из серии 2Д512А. Диоды являются импульсными, предназначены для работы в радиотехнических устройствах, изготовлены в стеклянном корпусе. Диоды предназначены для автоматизированной и ручной сборки (монтажа) аппаратуры.

Минимальная наработка на отказ, ч 80 000

Срок сохраняемости, лет 25

Диапазон рабочих температур, ⁰С от -60 до +12

2.4 Моделирование электрической принципиальной схем в Autocad

Перед началом работы производят настройку редактора Autocad

В редакторе Autocad устанавливаются следующие настройки в пункте меню параметры:

- размер рабочей области окна – А4;

- единицы – mm (миллиметры) ;

- шаг сетки – 2,5 мм и 1,25 мм;

- толщина линии – 0,25 мм.

Для создания схемы электрической принципиальной необходимо подключить созданную библиотеку. Это производится выбором пункта меню Библиотека/Установка и добавлением в открывшемся окне данной библиотеки.

С помощью пиктограммы «Поместить элемент» в схему добавляются элементы, которые берутся из подключенной библиотеки. Затем элементы соединяются между собой с помощью соответствующей пиктограммы. При последних двух операциях нужно отслеживать минимальное расстояние между элементами и проводниками. В результате получается схема электрическая принципиальная.

Чтобы переместить установленный компонент наводим стрелку на символ и нажав левую кнопку мыши захватим его, затем переместим символ в нужное место, удерживая левую кнопку. Чтобы изменить метку транзистора U1, выделим курсором символ и нажмем правую кнопку, затем выберем верхний пункт (метка компонента) в появившемся подменю. В диалоговом окне укажем новую метку. Чтобы повернуть компонент перед установкой на схему, нажмем клавишу “пробел” или “R”.

2.5 Моделирование печатной платы в системе Autocad

Поначалу при проектировании печатная плата может напоминать принципиальную схему. Размещаем элементы, соединяем его базу и эмиттер дорожками с резистором R1, также у нас база VT1 соединена с выводом конденсатора С1 и выводом резистора R2. Вместо линий на схеме мы соединяем на печатной плате выводы деталей дорожкой. Нужно считать количество выводов деталей соединённых на схеме и на печатной плате, должно получиться такое же количество соединенных пятачков.

Рисунок 2.4 – Разводка платы- элемент КТ 315

С базой на плате также как и на схеме соединено еще 3 вывода, на схеме они помечены красными колечками. Дальше устанавливаем транзистор VT2 - это транзистор кт361, он структуры pnp, но нам это в данный момент все равно, так как он имеет также 3 вывода и в корпусе точно таком же как и кт315. Установили транзистор, далее соединяем его эмиттер с вторым выводом R2, а второй вывод конденсатора С1 с коллектором VT2. Базу VT2 мы соединяем с коллектором VT1, устанавливаем на плату пятачки для подключения динамика ВА1, его мы соединяем одним выводом с коллектором VT2, другим выводом с эмиттером T1.

Продолжаем дальше, мы устанавливаем светодиод, соединяем его с выводом ВА1 и с эмиттером VT2. После мы устанавливаем транзистор VT3, это также кт315 и соединяем его коллектором с катодом светодиода, эмиттер VT3 мы соединяем с минусом питания. Далее мы устанавливаем резистор R4 и соединяем его дорожками с базой и эмиттером транзистора VT3, вывод с базы мы пускаем на щуп Х1.

Рисунок 2.5 – Разводка платы- подключение динамика ВА1

Рисунок 2.6 – Разводка платы- подключение выводов

Устанавливаем последние несколько деталей. Установим выключатель питания, соединяя его с плюсом питания дорожкой от одного пятачка и с эмиттером VT2, дорожкой от другого пятачка, соединенного с выключателем. Соединяем этот вывод выключателя с резистором R3, а второй пятачок резистора соединяем с контактами щупа Х2

Рисунок 2.7 – Разводка платы

Всё, плата разведена. Нужно перенести этот рисунок на текстолит протравить эту плату - будет устройство звуковой пробник с прозвонкой сопротивлением до 650 Ом.

2.6 Расчет качества и надежности

Надежность - свойство аппаратуры сохранять свои выходные параметры в определенных условиях эксплуатации.

Надежность является комплексным свойством, которое обуславливается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

К основным показателям надежности относятся:

1. Вероятность безотказной работы P(τ).

2. интенсивность отказов системы Λ.

3. среднее время безотказной работы T.

Вероятность безотказной работы – это вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.

Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов, по отношению к общему количеству исправно работающих в среднем выходит из строя в единицу времени.

Среднее время безотказной работы - наработка на отказ изделия между соседними отказами.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности проектируемого изделия по известным характеристикам надежности составляющих элементов конструкции и компонентов системы с учетом условий эксплуатации.

Основным показателем безотказности изделия является вероятность безотказной работы P(τ) – безразмерная величина, зависимая от времени наработки τ и изменяющаяся в пределах от 0 до 1.

Понятие надежности связано с отказами.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности. При этом под работоспособностью понимают такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

Отказы классифицируют по характеру их возникновения на - внезапные и постепенные, независимые и зависимые, по внешним проявлениям – на очевидные и скрытые, по объему – на полные (авария) и частичные, по длительности действия – на окончательные (устойчивые) и перемещающиеся (временные).

Для нерезервированных систем на основном временном участке работы,

когда приработка изделия завершена и производственные дефекты, если такие выявились, устранены, а износ еще не наступил вероятность безотказной работы P(τ)

вычисляется по формуле:

(1)

где: m – число элементов;

λi - интенсивность отказа i-го элемента.

То есть, вероятность безотказной работы уменьшается во времени по закону от значения 1.

При этом интенсивность отказов системы

(2)

а среднее время наработки до отказа

(3)

Проведем расчет вероятности безотказной работы проектируемого устройства по внезапным отказам.

Определяются интенсивности отказов элементов и компонентов с учетом условий эксплуатации устройства по формуле

(4)

где λ oi - номинальная интенсивность отказов i – го элемента или компонента (элемента расчета надежности);

К₁ и К₂ – поправочные коэффициенты на воздействие механических факторов;

К₃ – поправочный коэффициент на воздействие влажности;

К₄ – поправочный коэффициент на давление воздуха;

аi(t_K, K_H) – поправочный коэффициент на температуру поверхности компонента (t_K);

K_H -коэффициент нагрузки .

Значения номинальных интенсивностей отказов компонентов берутся из технических условий на данный компонент или из справочников, содержащих такие сведения. В учебном проектировании допускается использовать усредненные значения интенсивностей для определенных групп компонентов.

Значения номинальных интенсивностей отказов основных компонентов, приведены в Приложении (см. таблицу П 1.).

Поправочные коэффициенты К1 … К4 определяются по таблицам спавочника [6].

Поправочные коэффициенты а_i(t_K,K_H) определяются по графикам для основных групп компонентов, также приведенным в [6]

Здесь важно правильно задаться температурой поверхности корпуса компонента t_K. Для этого студенту необходимо провести рассуждения, в которых должны рассматриваться четыре температуры:

-температура t_С окружающей среды, т.е. среды, окружающей проектируемое устройство;

- температура t_ку корпуса устройства;

- температура среды (воздуха или другого газа) t_СК внутри корпуса;

- температура t_Кi поверхности корпуса конкретного i – го компонента.

Очевидно, что, поскольку основным источником тепловыделений в

устройстве являются различные компоненты (резисторы, диоды, транзисторы, интегральные схемы и пр.), а рассеивается тепло в окружающей среде за пределами устройства, в стационарном тепловом режиме

t_C <t_КУ< t_СК ≤ t_Кi (5)

Путем логических рассуждений студент выбирает максимальную температуру и дальнейшие расчеты идут с учетом выбранного значения.

Коэффициенты электрической нагрузки K_Hi компонентов определяются отношением значения контролируемого параметра (тока, напряжения или мощности) рассматриваемого компонента к максимально возможному (допустимому) по техническим условиям значению этого параметра. В качестве контролируемого параметра для конкретного компонента берется тот, от которого в наибольшей степени зависит надежность компонента.

Контролируемые параметры и формулы вычисления коэффициентов нагрузки для основных электрорадиоизделий приведены в таблице 2.1.

При проведении расчетов необходимые данные следует брать из задания и из справочных данных, приведенных в приложениях.

Таблица 2.1 - Коэффициенты нагрузки компонентов

Компоненты	Контролируемые параметры	Коэффициент нагрузки Кн	Рекомендуемые значения в режимах
			импульсный	статический
Транзисторы	Мощность рассеиваемая на коллекторе, Рк		0,5	0,2
Полупровод-никовые диоды	Обратное напряжение, U0		0,5	0,2
Резисторы	Рассеиваемая мощность, Р		0,6	0,5
Трансформаторы	Ток нагрузки,Iн		0,9	0,7
Электрические соединители	Ток, Iк		0,8	0,5

Примечание: _N(t_KN,K_HN) - из графика в приложениях Рисунок П 1 - П 6.

Количество элементов и компонентов, составляющих конструкцию проектируемого устройства, как правило, достаточно велико. Поэтому для сокращения объема расчета и компактного представления полученных результатов мы все m элементов устройства разбили на L групп, каждая из которых (с номером N) объединяет элементы одного типа с одинаковыми номинальными интенсивностями отказов, а также работающих в одинаковых условиях эксплуатации и одинаковых режимах. Допускается объединять в группу элементы и компоненты, у которых параметры различаются не более чем на 10 %.Результаты расчетов приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Интенсивность отказов компонентов проектируемого звукового сигнализатора

Номер группы элементов	Наименование элементов	Количество элементов в группе	Интенсивность отказов в нормальном режиме	Температура корпуса элемента группы	Коэффициент нагрузки	Поправочный коэффициент	Интенсивность отказов элементов группы с учетом внешних условий	Интенсивность отказов элементов группы в рабочем режиме	Интенсивность отказов группы элементов
N=1…L						αN
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Резисторы пленочные РС2-33-0,125	8	0,03	50	0,6	0,85	0,0321	0,0273	0,2185
2	Диоды импульсные 2Д512	3	0,2	50	0,5	0,8	0,2142	0,1713	0,5141
5	Соедин-ители DB 9	2	0,062 9 =0, 012	50	0,8	-	0,0198	0,0198	0,0256
6	Печатная плата	1	0,7	50	-	-	0,7498	0,7498	0,7498
7	Пайки	61	0,01	50	-	-	0,0107	0,0107	0,6534

Определяются интенсивности отказов элементов и компонентов с учетом условий эксплуатации устройства и промежуточные расчеты заносятся в таблицу 2.2.

Затем суммируем интенсивности отказов элементов и получаем интенсивность отказов системы

Λ =∑ , (6)

где - интенсивность отказов N-го элемента, – число элементов.

Λ=0,2185+0,0964+0,5141+0,02144+0,0256+0,7498+0,6534=2,2794 10^-6 1/час

По найденному значению Λ определяется среднее время наработки до отказа

Т =1/ Λ, (7)

Т= 1/2,2794 10^-6= 4318712 час

А также вероятность безотказной работы устройства для t=10000 часов

Р(t)=е^{- Λ t} , (8)

Р(t)= е^{-2,2794 10-6 10+4}= е^-0,22794= 0,796

Разрабатываемое электронное устройство звуковой сигнализатор электронный обладает достаточно хорошей надежностью.