3. Разработка конструкции

Разрабатываемое устройство «Автомат-прогреватель двигателя» (УИТС.411211.017) состоит из следующих модулей:

1. основной модуль;

2. модуль индикации.

Принципиальная электрическая схема данного устройства приведена на УИТС.411211.017 ЭЗ.

3.1 Объемно-компоновочный расчет

Для выбора компоновки разрабатываемого устройства рассмотрим два варианта, которые отличаются расположением печатной платы, органов коммутации и индикации.

При выборе рациональной компоновки блока используют три параметра:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

3.1.1 Расчет площади печатной платы. Для проведения расчета компоновочных параметров необходимо предварительно определить размер печатной платы. Площадь печатной платы рассчитывается исходя из площади установочной поверхности элементов.[6]

Площади установочных поверхностей элементов, используемых в разрабатываемом устройстве, указаны в таблице 2.

Площади установочной поверхности ЭРЭ

Таблица 2

Элементы	№ ПП (модуля)	Площадь одного элемента, мм2	Количество элементов	Общая площадь мм2
Диод Д220 (VD1÷ ÷VD4)	1	91	4	364

Продолжение таблицы 2

Диод КД105А (VD6)	1	114	1	114
Конденсатор К10-7В (C2)	1	12	1	12
Конденсаторы К50-16А (C3, С6, С9) (C4, С5, С8, С12, С13) (C7)	1 1 1	82 120 16	3 5 1	246 360 16
Конденсаторы КМ-6 (C10,C11)	1	78	2	156
Конденсатор КТ4-21 (C1)	1	17	1	17
Кварцевый резонатор PK206-NZQ1	1	7	1	7
Микросхемы корпус 201.14-1 (DD2)	1	203	1	203
Микросхемы корпус 238.16-1 (DD1,DD3÷DD5)	1	203	4	812
Резисторы МЛТ-0,125 (R2,R3,R5,R6,R8÷ ÷R13,R16÷R23)	1	29	17	493
Резистор МЛТ-0,125 R4	2	29	1	29
Резистор МЛТ-0,25 (R24)	1	49	1	49
Резистор МЛТ-0,5 (R7)	1	82	1	82
Резистор МЛТ-2 (R14)	1	252	1	252
Резистор С3-14 (R1)	1	26	1	26
Резистор РП1-60 (R17)	1	45	1	45
Светодиод АЛ307А HL1	2	16	1	16
Стабилитрон КС156А VD5	1	182	1	182
Транзисторы КТ315А (VT1÷VT3,VT5,VT7,VT11)	1	20	6	120
Транзисторы КТ817А (VT4,VT6,VT8,VT12)	1	19	4	76
Транзистор КТ818А (VT9,VT10)	1	16	2	32

Расчет общей площади печатной платы ведется по следующей формуле:

S = S_R + S_C + S_MC + S_D + S_Т + S_ZQ, (1)

где S_R – площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;

S_C – площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;

S_MC – площадь, необходимая для установки микросхем на ПП;

S_D – площадь, необходимая для установки диодов на ПП;

S_Т – площадь, необходимая для установки транзисторов на ПП;

S_ZQ – площадь, необходимая для установки кварцевого резонатора на ПП.

Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:

S = 7014 мм².

При расчете площади печатной платы для бытовой РЭА принято учитывать коэффициент заполнения площади ПП, k_з = 0,6.

Площадь печатной платы:

, (2)

где S_ПП1 – площадь печатной платы;

S – общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате.

Учитывая полученную площадь ПП, тепловые монтажные зоны, а также площадь проводников было выбрано следующее соотношение сторон: 90×130 мм, согласно ОСТ4.010.020-83.

Определим площадь платы модуля индикации. Площадь платы модуля индикации определяется исходя из площади установочной поверхности элементов. Площади установочных поверхностей элементов приведены в таблице 2.

Общая площадь, занимаемая элементами модуля индикации:

S_Σми = S_R + S_HL, (3)

где S_R – площадь, необходимая для установки резисторов на ПП, мм²;

S_HL – площадь, необходимая для установки светодиодов на ПП, мм².

Общая площадь, занимаемая элементами модуля индикации:

S_Σми = 45 мм².

Площадь печатной платы модуля индикации с учетом коэффициента заполнения площади ПП для бытовой аппаратуры:

Размер ПП для модуля индикации выбран по ОСТ4.010.020-83 и определяется соотношением сторон 3040 мм.

Объем печатной платы:

, (4)

где h– высота самого высокого элемента ПП, мм (h= 22,5 мм).

Рассмотрим два варианта компоновки блока для сравнения – с размерами 150×60×110 мм, а второй 110×150×70 мм (рисунок 1а,б).

а

110

) б)

Рисунок 1 – Варианты компоновки блока

Полный объем блока определяется по формуле:

V = L · B · H, (5)

где L – длина блока, мм;

B – ширина блока, мм;

H – высота блока, мм.

Полный объем для блока первого варианта:

V₁ = 150 · 60 · 110 = 990000 мм³

Полный объем для блока второго варианта:

V₂= 110 · 150 · 70 = 1155000 мм³

Площадь наружной поверхности блока:

S = 2· (L·B+L·H+B·H), (6)

где L – длина блока, мм;

B – ширина блока, мм;

H – высота блока, мм.

Площадь наружной поверхности блока для первого варианта:

S₁ = 2 · (150·110 + 150·60 + 110·60) = 64200 мм²

Площадь наружной поверхности блока для второго варианта:

S₂ = 2 · (110·70 + 110·150 + 70·150) = 69400 мм²

Приведенная площадь наружной поверхности:

(7)

где S – площадь наружной поверхности блока, мм²;

V – объем блока, мм³.

Так как приведенные площади S_пр1 иS_пр2практически одинаковы, то, следовательно, форма первого и второго блока имеют одинаковую массу.

Коэффициент приведенных площадей:

(8)

где S_пр– приведенная площадь блока любой конфигурации, мм^-1;

S_{пр.шара}– приведенная площадь шара, мм^-1.

Площадь шара:

, (9)

где d– диаметр шара, мм.

Объем шара:

(10)

где r– радиус шара, мм.

Радиус шара для первого варианта:

Радиус шара для второго варианта:

Диаметр шара:

(11)

Диаметр шара для первого варианта:

Диаметр шара для второго варианта:

Приведенная площадь шара для первого варианта:

Приведенная площадь шара для второго варианта:

тогда

Между S_приК_прсуществует зависимость:

(12)

где индексы 1 и 2 обозначают блоки двух любых конфигураций.

Данное соотношение позволяет сравнивать между собой блоки любой конфигурации.

Проведем сравнение между блоками в виде прямоугольного параллелепипеда 1 и 2:

т.к. то второй блок более оптимален по площади наружной поверхности.

Коэффициент заполнения объема:

(13)

где V_ап– объем аппаратуры, мм³;

V_об – объем, отводимый на объекте, мм³.

V_ап = V_i, (14)

где V_i – объем занимаемый конструктивным элементом в блоке, мм³.

Объем занимаемый платой основного модуля:

V_о.м = Sh_макс, (15)

V_о.м= 9013022,51,5 = 394875 мм

Объем занимаемый платой модуля индикации:

V_м.и = Sh_макс, (16)

V_м.и= 3040101,5 = 24000 мм³

Объем, занимаемый в блоке тумблером, определяется по максимальным размерам:

V_т=L_тB_тH_т1,5, (17)

где L,B,H– максимальные линейные размеры модуля, мм.

V_т1 = 20612,51,5 = 2250 мм³

V_т2 = 2213,527,51,5 = 12251 мм³

Объем, занимаемый разъемом в блоке:

V_р = L_рB_рH_р1,5, (18)

V_р = 2215201,5 = 9900 мм³

Объем, занимаемый аппаратурой в блоке, согласно формуле (13):

V_ап = V_о.м + V_м.и + V_т1 + V_т1 + V_р

V_ап = 394875 + 24000 + 2250 + 12251 + 9900 = 443276 мм³

Определим коэффициент заполнения объема для первого блока:

Определим коэффициент заполнения объема для второго блока:

Коэффициент заполнения объема больше у первого варианта компоновки, значит, у него объем используется более эффективно.

В качестве исходной компоновки блока выбираем первый вариант, т.к. у него элементы более доступны, следовательно, легче осуществлять ремонт и для этого варианта коэффициент заполнения объема больше.

Вывод: на основании произведенных расчетов выбираем блок в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами 150×60×110 мм.

3.2 Расчет печатного монтажа

Расчет печатного монтажа состоит из трех этапов:

1. расчет по постоянному току;

2. расчет по переменному току;

3. конструктивно-технологический расчет.

Выбираем метод изготовления и класс точности печатных плат (ГОСТ 23751 – 86).

Двухсторонняя печатная плата размером 90130 мм выполнена комбинированным позитивным методом из фольгированного стеклотекстолита СФ-2Н-50Г-1,5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности. Основные параметры печатной платы: [6]