ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, освоение методов расчетов и конструирования ЭАВТ.

Цель курсового проекта – научиться пользоваться нормативно-технической документацией при разработке изделия, ознакомление с порядком построения, изложение и оформление конструкторской документации.

Чтобы не беспокоиться о своевременном выключении телевизоров, просматривая передачи в позднее время, радиолю­бители часто снабжают их автоматическими устройства­ми, выключающими аппараты по окончании программы. Однако не редки случаи, когда владелец, не досмотрев передачу, засыпает у телевизора, который может долго оставаться включенным, что не всегда безопасно.

Устройств автоматического выключе­ния телевизора неоднократно описаны на страницах различных радиотехнических изданий. Как прави­ло, они рассчитаны на выключение аппарата только после прекращения пере­дачи на том или ином канале. Правда, некоторые телеприемники оборудованы таймером. Они выключат телевизор в заданное время. Но это не всег­да и не для всех удобно. Например, по какой-нибудь причине вам срочно при­шлось выйти из дома, и вы забыли вы­ключить телевизор. Или вы заснули, и аппарат (особенно если он включен на круглосуточный канал) будет работать до самого утра.

В предлагаемом для повторения ра­диолюбителями автомате заложен алго­ритм "диалога" с пользователем телевизора. Через определенные промежутки времени подачей светового или звуко­вого сигнала устройство как бы "спра­шивает": нужно ли дальше держать те­левизор включенным? — и ждет несколь­ко минут ответа. Если телезритель на­жмет кнопку "Продолжить", автомат "без­ропотно" выполнит команду и телевизор будет работать следующий период. Если же ответ не последует, автомат выклю­чит телевизор и самого себя.

Разработка данного устройства едва ли имеет большую актуальность для телевизоров нового поколения, снабженными микропроцессорными блоками управления, однако данное устройство имеет ряд дополнений, благодаря которым телевизор, снабженный такой установкой, приобретает ряд преимуществ. В частности, применение разрабатываемого аппарата позволяет вести диалоговый режим общения с пользователем телевизора, а также возможность применения этого устройства к другим электроприборам.

1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Наименование и область применения.

Диалоговый автомат выключения нагрузки предназначен для автоматического выключения телевизора. Область применения распространяется на большую часть бытовой техники.

1.2. Состав изделия.

Устройство состоит из двух модулей: модуля питания и модуля управления.

1.3. Технические требования:

• номинальное напряжение питания (при питании

от сети переменного тока частотой 50Гц), В 220;

• условия эксплуатации:

температура, С от +10 до +35;

влажность при температуре 25С и атмосферном

давлении 86-106 кПа, не более  80;

- атмосферное давление кПа (мм. рт. ст.) 86-860 (650-860);

- изделие транспортируется в упаковке любыми видами транспорта без ограничения расстояния. Разработанное изделие предназначено для использования по IV категории условий эксплуатации (закрытые, отапливаемые и вентилируемые помещения);

• в устройстве использовать интегральные и дискретные комплектующие ЭРЭ.

1.4. Требования по надежности

- наработка на отказ, тыс. ч 10000-15;

• интенсивность отказов, ч 10^-7-10^-9 ч^-1.

1.5. Конструктивные требования.

• форма и размеры конструкции определить в процессе проектирования;

• устройство выполнить в пластмассовом корпусе;

• при монтаже использовать печатный и объемный монтаж, органы управления и индикации вывести на лицевую панель;

• цвет корпуса – любой;

1.6. Ориентировочная номенклатура конструкторской документации

Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

• сборочный чертеж – А2;

• схема электрическая принципиальная – А3;

• печатная плата – А1;

• печатный узел – А2;

• спецификация – А4;

• пояснительная записка – А4.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ, ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Сравнительный анализ аналогов

При проведении поиска аналогов по литературе было обнаружено несколько устройств, выполняющих отключение телевизора.

Проведем сравнительный анализ разрабатываемого устройства [8] с автоматическим выключателем телевизора АВТ-1, выпускаемого Московским производственным объединением «Рубин» [9] и устройством автоматического отключения телевизора DAEWOO DTC-2188 [10].

АВТ-1 - автономное устройство, которое после соединения с обслуживаемым телевизором автоматически выключает его одного или вместе со стабилизатором напряжения (и, конечно, себя) после окончания телевизионной передачи, при появлении в телевизоре неисправностей, приводящих к срыву строчной синхронизации, а также при возникновении аварийного режима в выходном каскаде строчной развертки. Автовыключатель предназначен для совместной работы с цветными телевизорами УЛПЦТ (И)-59/61, УПИМЦТ-61, 2УСЦТ, 3УСЦТП-51 («Рекорд ВЦ-311») и 3УСЦТ. К его достоинствам можно отнести отсутствие собственного источника питания и возможность работы практически с любыми телевизорами, имеющимися в эксплуатации.

Устройство выключает телевизор мгновенно при появлении аварийного режима и через время, не превышающее 150 секунд, после окончания телевизионной передачи. Также предусмотрена возможность принудительного выключения телеприемника. Основные параметры:

- коммутируемая мощность, Вт не более 300;

- потребляемый ток, мА не более 35;

- габариты, мм 185х115х85;

- масса, кг не более 0,7.

В телевизоре DAEWOO DTC-2188 (как и в большинстве современных телевизоров) есть встроенный таймер, а также встроенное устройство автоматического выключения. Управление таймером осуществляется с пульта дистанционного управления. Данная функция позволяет задать продолжительность работы телевизора до его отключения. Несмотря на многочисленные преимущества (конструктивного характера) в работе таймера не предусмотрена ситуация, когда пользователь заснет до установки им времени работы телевизора.

Встроенный автомат выключения, позволяющий по окончании вещания данной телепрограммы обесточить телеприемник, без сомнения эффективен, однако в регионах с круглосуточным вещанием он будет бесполезным.

При сравнении выше описанных устройств с диалоговым автоматом выключения нагрузки у последнего можно выделить преимущества и недостатки.

К преимуществам можно отнести следующее:

• устройство постоянно контролирует работу телевизора и выдает соответствующие сигналы (его не надо включать как, например, таймер);

• выключение телевизора происходит даже если телепередача не прекратила передаваться;

• установка устройства не требует вмешательства в узлы телевизора (в отличие от АВТ-1 и таймера), подключить его сможет практически любой пользователь;

• индикация может быть как световой, так и звуковой; к тому же данное устройство можно применять не только с телевизорами, а и с другими приборами, потребляемая мощность которых до 1 .

Недостатки:

• устройство не реагирует на аварийные ситуации телевизора, а также на прекращение вещания телеканалов;

• чтобы включить телевизор, предварительно необходимо включить устройство;

• в совокупности с органами управления телевизора получается слишком большое количество кнопок и переключателей управления.

• для осуществления диалогового режима пользователю необходимо перемещаться до самого устройства (при подтверждении дальнейшего просмотра).

Таким образом, можно предположить что наилучшим устройство для выключения телевизора являлось бы совокупность трех рассмотренных выше устройств - встроенное устройство, периодически выдающее на экран телевизора запрос об отключении и автоматически выключающееся по окончании телевещания или при отсутствии ответа на запрос; при этом управление должно осуществляется с пульта дистанционного управления. И, кроме того, это устройство должно отключать телевизор при возникновении аварийной ситуации.

2.2 Описание работы устройства

При нажатии кнопки SB2 открываются тринисторы VS1, VS2 и на нагрузку, а также на трансформатор питания автомата через замкнутые контакты кнопки SB1 поступает питающие напряжение. Цепь R5C5 и элемент DD4.1 обеспечивают начальную установку в исходное нулевое состояние делителей частоты DD2, DD3, DD5 - DD7 счетчика времени. Присутствующий при этом на выходе элемента DD4.3 уровень 1 открывает транзистор VT4, реле K1 срабатывает и контактами K1.1 блокирует кнопку SB2, поддерживая включенное состояние автомата и нагрузки.

На вход делителя DD2 с частотой сети 50 Гц приходят короткие импульсы с формирователя на микросхеме DD1. По истечении заданного интервала времени (в зависимости от положения переключателя SA2 он равен 21,5; 43 или 86 минут) на одном из выходов делителя DD7 появляется уровень 1, открывающий элементы DD4.2 и DD4.3. Импульсы напряжения формы меандр с выхода 2 делителя DD3 длительностью около двух секунд, пройдя через элемент DD4.2, периодически включают световую или звуковую сигнализацию (в зависимости от положения переключателя SA1), извещая о том, что заданное время подходит к концу.

Предупредительные сигналы будут подаваться в течении 5 минут. Если в этом интервале времени нажать кнопку SB3, то происходит сброс в нулевое состояние делителей DD2, DD3, DD5 - DD7 счетчика, сигнализация прекращается и автомат снова начинает отсчет заданного переключателем SA2 интервала. Если же команда «Продолжить» в течение 5 минут не будет подана, то уровень 1, который появляется на выходе 1 делителя DD6, поступит на элемент DD2.3, уровень 0 на его выходе закрывает транзистор VT4, обмотка реле K1 обесточивается, а его контакты K1.1 размыкаются. В результате тринисторы VS1, VS2 закрываются, подача напряжения сети на автомат и на нагрузку прекращается. Кнопкой SB1 при необходимости можно выключить автомат и нагрузку в любой момент.

Цепь R3VD6VD7C4 обеспечивает предварительное формирование однополярных положительных импульсов частотой 50 Гц. Резистор R11 ограничивает ток через обмотку реле K1 и транзистор VT4 в открытом состоянии.

Таким образом, в результате анализа работы данного устройства было выделено два модуля: модули питания и управления.

2.3 Оценка элементной базы

Интегральные микросхемы:

В схеме используются микросхемы серий К133ЛА3, К133ИЕ5, К136ЛА3. Все эти микросхемы упакованы в корпус 401.14-4, который является планарным.

Микросхемы 133-ей серии характеризуются следующими основными параметрами:

- потребляемая мощность, мВт 22;

- номинальное напряжение питания, В 55%;

- напряжение помехи, В 0,4;

- частота переключения, мГц 10.

Микросхема К133ИЕ5 представляет собой двоичный счетчик. Микросхема К133ЛА3 - 4 логических элемента 2И-НЕ, и содержит 56 интегральных элементов. Микросхема К136ЛА3 - 4 логических элемента 2И-НЕ.

В электрической схеме используются несколько видов конденсаторов, далее приведена характеристика некоторых из них. Конденсаторы серии К50 - алюминиево-оксидно-электролитические конденсаторы общего назначения. Характеризуются очень большой удельной емкостью, большими потерями, значительными токами утечки. Применяются в шунтирующих и фильтровых цепях, для накопления энергии в импульсных устройствах.

Для конденсаторов К53 характерна большая удельная емкость, меньшие потери и токи утечки, увеличенный срок хранения, более широкий интервал работы по сравнению с электролитическими алюминиевыми конденсаторами.

Резисторы: тип МЛТ - резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем, предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Относятся к неизолированным резисторам. В схеме используются резисторы с двумя номиналами мощностей: 0,25 Вт и 0,5 Вт. Предельные эксплуатационные данные:

- наработка на отказ, ч 25000;

- диапазон рабочих температур, ⁰ С -60...+70;

- срок сохраняемости, лет 15.

Диоды КД202Д - диоды кремниевые, сплавные; предназначены для работы в качестве выпрямителей переменного тока частотой до 5000 Гц. Выпускаются в металлическом корпусе с винтом.

Диоды Д220 - диоды кремниевые микросплавные, выполняются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Предельные эксплуатационные данные:

- относительная влажность при 40⁰ С, % 98;

- давление окружающего воздуха, Па 2,7*10⁴...3*10⁵;

- вибрационные ускорения на частоте 50 Гц 12 g;

- гарантийная наработка, ч 5000;

Диоды типа Д226 - диоды кремниевые, сплавные. Выполняются в металлическом сварном корпусе с гибкими выводами. Предельные эксплуатационные данные:

- относительная влажность при 40⁰ С, % 98;

- вибрационные ускорения в диапазоне частот 20-6000 Гц 10 g;

- гарантийная наработка, ч 5000.

Элементы типа КС156А - стабилитроны кремниевые сплавные; выполняются в металлическом герметичном корпусе с гибкими выводами. Предельные эксплуатационные данные:

- максимальная рассеиваемая мощность при температуре

-55...+100⁰ С, мВт 300.

Элементы типа КУ201Л - тринисторы кремниевые, планарно-диффузионные, триодные, запираемые. Структура - p-n-p-n. Предназначены для применения в качестве переключающих элементов устройств коммутации больших напряжений малыми управляющими сигналами. Выпускаются в металлическом герметичном корпусе с винтом. Предельные эксплуатационные данные:

- рассеиваемая мощность при 70⁰ С, Вт 4;

- импульсная мощность на управляющем электроде, Вт 1.

Транзисторы КТ315А и КТ361Б являются кремниевыми транзисторами малой мощности, выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Выполнены по технологии p-n-p. Применяются в усилителях гетеродинов и преобразователей в телевизионных и радиовещательных приемниках. Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ315А:

• постоянная рассеиваемая мощность коллектора при температуре

30⁰ С, мВт 300;

85⁰ С, мВт 162,5.

Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ361А:

• постоянная рассеиваемая мощность коллектора при температуре

35⁰ С, мВт 150;

100⁰ С, мВт 30.

Транзисторы типа КТ805А - среднечастотные транзисторы большой мощности, выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Выполнены по n-p-n технологии. Используются в выходных каскадах строчной развертки телевизора. Предельные эксплуатационные данные:

• средняя рассеиваемая мощность коллектора

при температуре +50⁰ С, Вт 30.

Транзисторы КТ815А - транзисторы кремниевые меза-эпитаксиально-планарные структуры n-p-n большой мощности. Используются в выходных каскадах УНЧ, операционных и дифференциальных усилителях, преобразователях, импульсных устройствах. Корпус пластмассовый с жесткими выводами. Предельные эксплуатационные данные:

• средняя рассеиваемая мощность коллектора

при температуре -40...+25⁰ С, Вт 1.

Реле РЭС - 55А является брызгозащищенным, одностабильным, двухпозиционным, герконовым. Обеспечивает коммутацию цепей постоянного и переменного тока напряжением 220 В, частотой до 10 кГц, с напряжением срабатыванием 9 В. Предельные эксплуатационные данные:

- наработка на отказ, тыс. вкл. 10⁶.

В устройстве используются кнопки малогабаритные кнопки типа КМ1-1. .Кнопки являются коммутационными и предназначены для коммутации цепей с относительно большими значениями токов и напряжений, в частности, они широко используются для коммутации сетевого напряжения. Крепление кнопок производится на панели «под гайку».

В качестве переключателей выступают: перекидной микропереключатель типа МТ1-1 и трехпозиционный движковый переключатель ПД3-1.

Предельные эксплуатационные данные кнопок и переключателей:

- максимальное число переключений 10⁴;

- атмосферное давление, кПа 0,6...104;

- относительная влажность при температуре +35⁰ С, % до 98;

Трансформатор T12 – унифицированный трансформатор питания, предназначен для питания радиоэлектронной аппаратуры широкого применения, аппаратуры средств связи, электронно-вычислительных машин и другой аппаратуры. Особенностью является широкий диапазон напряжений и токов. Имеет следующие параметры:

- напряжение на входе, В 220;

- напряжение на выходе, В 10;

- линейные перегрузки до 15 g;

- типоразмер магнитопровода ШЛМ 12х12,5.

В качестве звуковой индикации используется диффузорный электродинамический громкоговоритель 0,1ГД - 3. Данный элемент имеет следующие характеристики:

- диапазон частот, Гц 400..3000;

- среднее стандартное звуковое давление, Па 0,13;

- мощность, Вт 0,1.

Световая индикация обеспечивается арсенидогаллиевым светодиодом АЛ307АМ. Его характеристики:

- сила света, кдм 0,15;

- цвет красный;

- длина волны, мкм 0,666;

- постоянное прямое напряжение, В 2.

Таблица 1

Параметры элементной базы

Наименование элемента	Кол.	Конструкционные параметры		Диапазон Температур, ºС
		Масса, г	Установочная площадь, мм2
1	2	3	4	5
Микросхемы: К136ЛА3 К133ЛА3 К133ИЕ5	1 1 5	0,45 0,45 0,45	133 133 133	-10…+ 70 -10…+ 70 -10…+ 70
Конденсаторы: К50-6, 1000мкФх16В К50-6, 47мкФх16В К50-24, 680мкФх16В КМ-4б, 0,047 мкФ КМ-3б, 6800 пФ К53-30, 0,5 мкФ	2 1 1 3 1 1	3,5 1,2 3 1,8 0,8 0,2	298,5 28,26 157,5 42,9 27 15,9	-10...+85 -10...+85 -20...+50 -60...+85 -60...+85 -60...+85
Резисторы МЛТ-0,25 МЛТ-0,5	9 3	0,25 1	37,5 66,36	-60…+70 -60...+70
1	2	3	4	5
Диоды КС156А КУ201Л КД202Д Д220 Д226	1 2 4 2 1	1 18 6 0,5 2	140 860 481 70 280	-55...+100 -60...+100 -60...+130 -55...+100 -60...+80
Транзисторы: КТ315А КТ361Б КТ805А КТ815А	1 1 1 1	0,18 0,3 2,4 1	21,6 21,6 48 21,84	- 60…+ 100 - 60…+ 100 -60…+ 100 -40...+100
Реле: РЭС55А	1	6	310,2	– 60…+ 85
Светодиод АЛ307АМ	1	0,35	19,6	– 60…+ 70
Кнопки: КМ1-1	3	11	266,5	-60...+100
Динамическая головка: 0,1ГД3	1	35	1025	-25...+85
Переключатели: МТ1-1 ПД3-1	1 1	13 10	330 360	-40...+80 -35...+70
Трансформатор: Т12	1	130	854	-50...+65

Анализируя условия эксплуатации и технические условия на использование элементной базы, можно сделать вывод, что устройство можно эксплуатировать в диапазоне рабочих температур -25...+65 ⁰ С, при влажности - не более 98% и при атмосферном давлении - не более 104 кПа. Эти условия в полной мере соответствуют указанным в техническом задании параметрам.

Кроме того, наиболее критичными элементами в отношении температурных режимов являются: динамическая головка 0,1ГД3 (-25...+35⁰ С) и трансформатор Т8 (-50...+65⁰ С). Максимальной мощностью обладает транзистор КТ805 (30 Вт).

Запитка устройства осуществляется посредствам провода ПВС-ВП 2х1,0-02-10,2,2. Этот провод с поливинилхлоридной сополимерной изоляцией (ПВС), арми

Для подключения к устройству телевизора используется розетка РГ-1Н-1-1-В.

Диалоговый автомат выключения нагрузки представляет собой блок, состоящий из двух модулей.Связь печатной платы с органами управления и индикации, а также с модулем питания осуществляется объемным монтажом.

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭУ

3.1 Предварительная разработка конструкции устройства

При разработке конструкции устройства были учтены требования, приведенные в разделе «Расширенное технического задания». Объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭУ.

Первоначально было проведено разбиение схемы электрической принципиальной на части. Следующим этапом было определение площади поверхности платы, на которой необходимо разместить выделенные функциональные части. Но так как было принято решение модуль питания (А1) разместить на корпусе устройства, то расчет площади поверхности платы проводился с учетом лишь модуля управления (А2).

Исходя из этого предварительно полагалось, что устройство будет представлять собой блок, имеющий форму параллепипеда, на дне которого, на втулках, располагается печатная плата, на боковых стенках укреплены элементы модуля питания, а элементы индикации и управления вынесены на лицевую панель.

3.1.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

Ниже приведен расчет суммарной установочной площади элементов модуля управления, необходимой для размещения их на печатной плате.

Таблица 2

Расчет общей площади элементов

Наименование элемента	Количество	Установочная площадь, мм2	Общая площадь, мм2
1	2	3	4
Микросхемы: К136ЛА3 К133ЛА3 К133ИЕ5	1 1 5	133 133 133	931
1	2	3	4
Конденсаторы: К50-6, 1000мкФх16В К50-6, 47мкФх16В К50-24, 680мкФх16В КМ-4б, 0,047 мкФ КМ-3б, 6800 пФ К53-30, 0,5 мкФ	2 1 1 3 1 1	298,5 28,26 157,5 42,9 27 15,9	954,4
Резисторы МЛТ-0,25 МЛТ-0,5	9 3	37,5 66,36	536,6
Диоды КС156А Д220 Д226	1 2 1	140 70 280	560
Транзисторы: КТ315А КТ361Б КТ805А КТ815А	1 1 1 1	21,6 21,6 48 21,8	113
Реле: РЭС55А	1	310,2	310,2

Исходя из таблицы 2 суммарная площадь элементов печатной платы:

S=Sм+Sк+Sрез+Sд+Sт+Sр=931+954,4+536,6+560+113+310,2=3405,2 мм², (1)

где Sм – площадь, необходимая для установки микросхем, мм²;

Sк – площадь, необходимая для установки конденсаторов, мм²;

Sрез – площадь, необходимая для установки резисторов, мм²;

Sд – площадь, необходимая для установки диодов, мм²;

Sт – площадь, необходимая для установки транзисторов, мм²;

Sр – площадь, необходимая для установки реле, мм².

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади ПП:

Sпп=S/0.6=3405,2/0,6=5675,3 мм². (2)

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы (варианты), в результате, с учетом возможностей трасссировки, был выбран размер платы 90х90 по ГОСТ10317-79.

При проведении объемно-компановочного расчета, первоначально был определен объем, занимаемый ЭРЭ. Для этого была использована следующая формула:

V=Vм+Vк+Vрез+Vд+Vт+Vр+Vс+Vкп+Vдг+Vтр, (3)

где Vм – объем, занимаемый микросхемами, мм³;

Vк - объем, занимаемый конденсаторами, мм³;

Vрез - объем, занимаемый резисторами, мм³;

Vд - объем, занимаемый диодами, мм³;

Vт - объем, занимаемый транзисторами, мм³;

Vр - объем, занимаемый реле, мм³;

Vс - объем, занимаемый светодиодом, мм³;

Vкп - объем, занимаемый кнопками и переключателями, мм³;

Vдг - объем, занимаемый динамической головкой, мм³;

Vтр - объем, занимаемый трансформатором, мм³;

Vроз - объем, занимаемый розеткой, мм³.

В результате, объем, занимаемый ЭРЭ, составил:

V=2793+33462,95+3458,4+104732+2037,1+2915,9+471+17589+

+12240+7175+34160=221034,4 мм³. (4)

Исходя из известной площади печатной платы, а также габаритных размеров элементов модуля питания, элементов индикации и управления, были разработаны два варианта возможной компоновки выше перечисленных элементов устройства (рис. 1, а, б). Отличительной чертой второго варианта (рис. 1, б) является разделение модуля питания на две части, расположенных на противоположных боковых стенках блока и, сниженная за счет этого его высота. Однако такой вариант ведет к вертикальному расположению лицевой панели. Для определения наиболее оптимального варианта расположения составных частей устройства был проведен объемно-компановочный расчет для обоих вариантов компоновки.

При выборе рациональной компоновки блока используют три параметра [15]:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

Первый вариант компоновки предполагает следующие габариты корпуса устройства: 138х106х87 мм. При проведении расчета компоновочных параметров получили:

1. Объем блока:

мм³; (5)

2. Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1, (6)

где S₁ – площадь поверхности блока, мм².

3. Коэффициент приведенных площадей:

, (7)

где - приведенная площадь шара:

мм^-3, (8)

где d₁ - диаметр шара описанного около корпуса, мм.

Тогда коэффициент приведенных площадей:

. (9)

4. Коэффициент заполнения объема:

. (10)

Второй вариант компоновки предполагает следующие габаритные размеры блока: 138х130х80 мм. При проведении аналогичного расчета компоновочных параметров получили:

1. Объем блока:

мм³; (11)

2. Приведенная площадь наружной поверхности:

; (12)

2. Коэффициент приведенных площадей:

(13)

где - приведенная площадь шара:

мм^-3, (14)

где d₂ - диаметр шара описанного около корпуса, мм.

Тогда коэффициент приведенных площадей:

2. Коэффициент заполнения объема:

(15)

Сравним варианты компоновки по формуле

; (16)

, следовательно, первый блок более оптимальный по площади наружной поверхности; выбор второго блока также более предпочтителен исходя из коэффициента заполнения объема (формулы 15 и 10).

В проектируемом устройстве используется два вида монтажа - объемный и печатный. Связь между элементами, расположенными на печатной плате осуществляется печатным монтажом. Связь печатной платы с органами управления и индикации, а также с модулем питания осуществляется объемным монтажом.

Автомат выключения нагрузки необходимо предохранять от пыли, воды и механических воздействий. Для этого применяется частичная герметизация устройства с помощью пластмассового корпуса.

Устройство имеет форму прямого параллелепипеда размером 138х106х87 мм, внутри которого расположена печатная плата размером 90х90 мм. Органы управления и индикации вынесены на лицевую панель в соответствие с «Расширенным техническим заданием». На задней панели корпуса расположена розетка для подключения телевизора, а также питающий провод автомата выключения нагрузки.

3

2

1 4

a

1

2

4 4

3

б

Рисунок 1 - Варианты компоновки устройства

1 - корпус устройства;

2 - плата с ЭРЭ;

3 - элементы индикации и управления;

4 - блок питания.

3.1.2 Расчет геометрических параметров элементов конструкции печатной платы

Двусторонняя печатная плата размером 90х90 мм выполнена комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита СФ-2Н-50-Г по четвертому классу точности. Толщина платы 1,5 мм. Максимальный ток J_max=0,2 А, толщина фольги h_ф=0,05 мм, максимальная плотность тока j=38 А/мм², допустимое падение напряжения U_д=0,2 В, удельное сопротивление меди =0,0175 мкОм/мм².

3.1.2.1 Расчет ширины проводников.

Проводники рассчитываются по постоянному току. Ширина проводника цепи питания и заземления определяется следующим выражением [1]:

мм; (17)

Определим минимально допустимую ширину проводников исходя из допустимого падения напряжения [1]:

мм; (18)

где l - длина самого длинного проводника, мм.

Минимальная ширина проводника, которую можно получить при использовании комбинированной позитивной технологии равна 0,15 мм, что превышает значения b_min1 и b_min2. Поэтому принимаем минимальную ширину потенциального проводника равной 1 мм.

3.1.2.2 Расчет диаметров контактных площадок монтажных отверстий.

В результате анализа существующей номенклатуры диаметров выводов элементов, входящих в состав модуля управления, была проведена группировка выводов и снижение общего количества номиналов выводов до трех.

Для выводов диаметром d_выв=0,2 мм, d_выв=0,3 мм.

Диаметр отверстия [1]:

мм; (19)

где -разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода (0,1...0,4);

- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра, мм.

Диаметр сверла составил [1]:

мм; (20)

где D_св - диаметр сверла, мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия [1]:

мм; (21)

где - погрешность, обусловленная биением и заточкой сверла (0,02...0,03).

Минимальный диаметр контактной площадки [1]:

мм; (22)

где b_m - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

и - допуски на расположения отверстия и контактной площадки, мм.

Минимальный диаметр контактной площадки с учетом резистивного покрытия [1]:

мм. (23)

Максимальный диаметр контактной площадки [1]:

мм. (24)

Проведя аналогичные расчеты были получены максимальные диаметры контактной площадки для других диаметров выводов:

- для выводов диаметром d_выв=0,6 мм, d_выв=0,7 мм =1,6 мм.

Для выводов диаметром d_выв=0,8 мм, d_выв=0,88 мм, d_выв=0,9 мм, d_выв=0,95, d_выв=1 мм =1,9 мм.

Диаметр переходных отверстий составил [1]:

Д_{М min}Н_рас^.v=1,5^.0,33=0,495 мм, (25)

где Н_рас - рсчетная толщина платы;

v - отношение диаметра отверстия к толщине платы.

Расчитанный диаметр был выбран из стандартного ряда и составил Д_Мmin=0,6 мм.

По расчетам контактной площадки для данного диаметра получено: =1,6 мм.

3.1.2.3 Определение ширины сигнального проводника

Минимальная ширина проводника для ДПП [1]:

мм; (26)

Максимальная ширина проводника [1]:

мм; (27)

где t_1min - минимальная эффективная ширина проводника, мм.

- допуск на ширину проводника, мм.

t_max - максимальная ширина проводника, мм.

3.1.2.4 Определение минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками металлизированных отверстий, необходимое для проведения между ними проводника [1]:

, (28)

где D_1max, D_2max - диаметры контактных площадок, мм;

- допуск на расположение проводников, мм;

S - номинальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм;

N_л - номинальное число проводников в магистральном канале.

Для контактных площадок диаметром 1,9 и 1,9:

(29)

Для контактных площадок диаметром 1,6 и 1,6 - мм.

Для контактных площадок диаметром 1,2 и 1,2 - мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой диаметром 1,9 [1]:

(30)

где L_Э - расстояние между центрами рассматриваемых элементов.

Для диаметра 1,6:

(31)

Для диаметра 1,3:

(32)

Таким образом, анализируя формулы (30)-(32), был сделан вывод, о том, что минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактными площадками диаметром 1,3 и 1,6 должно составлять не менее 1,25 мм, а для контактных площадок диаметром 1,9 - не менее 2,5 мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками с диаметрами 1,6 мм [1]:

мм; (33)

Это накладывает требования на минимальное расстояние между двумя контактными площадками с диаметрами 1,6 мм, составляющее таким образом, не менее 2,5 мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками [1]:

мм. (34)

Исходя из формулы (34) сигнальные проводники можно приблизить не более чем на 1,25 мм.

3.1.3 Расчет теплоотвода

Как показывает анализ элементной базы устройства, в его составе находится элемент, требующий специальных средств охлаждения. В частности, транзистор, рассеивающая мощность которого составляет 30 Вт.

Под расчетом теплоотвода чаще всего подразумевается определение типа, габаритных размеров и материала теплоотвода. В данной работе был проведен расчет площади теплоотвода на основании следующего соотношения:

(35)

где R_тр(п-с) - требуемое сопротивление переход-среда, R_тр(п-с)=53 ⁰С/мВт.

_r - коэффициент теплопередачи от теплоотвода в окружающую среду, _r=1,5 мВт/см^{2 . 0}С.

Тогда площадь теплоотвода составит:

На основании полученного значения площади теплоотвода были заданы геометрические размеры: высота 36 мм, ширина 35 мм.

3.1.4 Расчет электрических параметров печатной платы

Емкость между проводниками при их параллельном взаимном расположении:

, (36)

где E_r =8,85 пФ/м – диэлектрическая проницаемость среды;

l =15 мм – длина близко расположенных проводников;

а=1.25 мм – расстояние между проводниками;

b=0.3 мм – ширина проводника;

h=0,05 мм – толщина фольги.

пФ. (37)

При других вариантах значение емкости меньше полученного.

Собственная индуктивность параллельных проводников:

, (38)

мкГн; (39)

мкГн. (40)

Взаимоиндуктивность проводников рассчитывается при условии

; (41)

где b₁=0,3мм – ширина первого проводника;

b₂=1,5мм – ширина второго проводника;

а=1,25мм – растояние между проводниками.

Так как l не намного больше рассчитанного значения (31мм), т.е. условие не выполняется, то взаимоиндуктивность не влияет на проводники.