ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение ме­тодикой расчета и конструирования элементов автоматики и вычислительной техники (ЭАВТ).

Цель данной конструкторской разработки состоит в проектировании электронного коммутатора входов для усилителя мощности звуковых частот (УМЗЧ) , используемого в бытовых звуковоспроизводящих комплексах, работающих от различных источников звуковых сигналов, а также в том, чтобы научиться использовать нормативно-конструкторскую документацию при разработке изделия и ознакомиться с порядком по­строения, изложения и оформления конструкторской документации.

При переключении входов УМЗЧ необходимо включить питание одного источника сигнала и одновременно выключить питание другого, что создает определенные неудобства при эксплуатации комплекса.

Проектируемое устройство предназначено для обеспечения автоматического переключения питания источников сигнала.

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Назначение и область применения

Целью данной разработки является проектирование устройства, которое обеспечивает автоматическое переключение питания от различных источников сигнала.

Разрабатываемое изделие должно решать следующие задачи:

• автоматическую коммутацию входов на источник сигнала;

• одновременное включение питания одного источника сигнала и одновре-

менное выключение питания другого;

• обеспечивать защиту от повторной коммутации на время завершения

переходных процессов во включенном устройстве источника сигнала;

Проектируемое устройство может применяться в бытовых звуковоспроизводящих комплексах, работающих от различных источников звуковых сигналов.

2. Состав изделия

Проектируемое устройство состоит из:

• узла управления , предназначенного для переключения входов источников

сигнала;

• шифратора, предназначенного для приема и расшифровывания кодовой

посылки, которая управляет включением или выключением входов

устройства;

• узла задержки, запрещающего повторное переключение на время завершения

переходных процессов во включенном устройстве источника сигнала;

• устройства индикации, сигнализирующего о подключении соответствующего

входа.

- устройства коммутации на оптронно-тринисторном ключе.

1.3 Технические и конструктивные требования

1.3.1 Технические характеристики:

Напряжение питания, В

- электронного коммутатора -5, +5;

- источников сигнала ~220;

Ток потребления не более, А

- оптронно-тринисторном ключе (в момент переключения) 0,4;

- источников сигнала 1;

Число подключаемых источников сигнала 4;

Число одновременно работающих источников сигнала 1;

1.3.2 Условия эксплуатации и транспортирования в соответствии

ГОСТ 16019 – 78:

Температура окружающей среды, °С от минус 40 до +60;

Влажность окружающей среды, % не выше 80;

Атмосферное давление 600-850 мм.рт.т.

Условия транспортировки всеми видами транспорта.

Хранить изделие при температуре не ниже –5º С в закрытых помещениях.

Разработанное изделие предназначено для использования по IVкатегории условий эксплуатации (закрытые, отапливаемые и вентилируемые помещения).

1.4 Требования по надежности.

Наработка на отказ 10-15 тыс. часов

Интенсивность отказов 10^-6-10^-9ч^-1.

Долговечность - 10 лет

Гарантийный срок - 1 год

1.5 Конструктивные требования.

Применяемые радиоэлектронные элементы используются отечествен­ного производства и предназначены для общего применения, а также должны удовлетворять условиям ремонтопригодности и взаимозаменяемо­сти.

Форма и размеры конструкции определить в процессе проектирования.

Использовать печатный и объемный монтаж.

Цвет любой.

Устройство выполнить в металлическом корпусе.

При монтаже использовать печатный и объемный монтаж.

Органы управления и индикации вывести на лицевую панель.

Конструкция изделия должна предусматривать пользователя без применения специальных мер обеспечения безопасности.

1.6 Ориентировочная номенклатура конструкторской документации.

схема электрическая принципиальная – А3;

спецификация – А4;

перечень элементов – А4;

компоновочный чертеж – A2;

1. компоновочный чертеж – A2;

сборочный чертеж изделия – А2.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

2.2 Анализ работы устройства

1. Описание работы коммутатора входов.

При включении питания ток, заряжающий конденсатор С1 , переключает триггеры DD1.1, DD1.2 и с их выходов нулевые уровни сигналов подаются на адресные входы мультиплексора DD2 и дешифратора DD3. На выходе «0» последнего появляется напряжение высосокого уровня, открывающее транзистор VT1, ток которого включает светодио HL1. Его свечение индицирует подключение к УМЗЧ первого источника сигнала. Одновременно загорается и светодиод оптрона U1, транзистор которого переходит в режим насыщения и открывает тринистор VS1, включающий напраяжение питания первого источника сигнала. Для подключения к УМЗЧ любого другого входа, осуществляется нажатием на соответствующую кнопку. Ее код запишется в триггеры

DD1.1, DD1.2 , и мультиплекор DD2 произведет необходимые переключения. В результате загорится светодиод, сигнализирующий о подключениии к УМЗЧ соответствующего входа и на подключенный к нему источник сигнала поступит напряжения питания.

2. Анализ работы узла задержки.

При включенном питании при нажатии на любую из кнопок через диоды VD1,VD2 заряжается конденсатор С2. В результате при переключении входов на разрешающий вход E1 мультиплектора DD2 подается уровень логической единицы, запрещающий коммутацию входов на время завершения переходных процессов во включенном устройстве источника сигнала. После разрядки конденсатора C2 на разрешающем входе мультиплексора устанавливается уровень логического нуля и он производит необходимую коммутацию.

2.3 Оценка элементной базы

Система сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до +3В, Достоинством данного устройства является повышенная точность передачи сигналов и быстродействие.

Применяемая элементная база широко распространена в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями, а также имеет много отечественных и зарубежных аналогов, что повышает ремонтопригодность изделия.

2.3.1 Микросхемы. В разрабатываемом устройстве применяются цифровые микросхемы серии К561, выполненные по КМОП – технологии [9, 10]. Предназначены для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники с жесткими требованиями по потребляемой мощности, массе, габаритным размерам в условиях значительного изменения напряжения питания при работе от одного источника.

Серия К561 имеет высокое быстродействие, высокую помехоустойчивость и небольшое, по сравнению с другими КМОП - микросхемами энергопотребление (ток потребления 10^-4 мА на один корпус микросхемы). Напряжение питания данной серии составляет в пределах 3…15 В. Диапазон рабочих температур данной серии минус 40...+60 С.

2.3.2 Резисторы. В качестве распределителей электрической энергии между цепями и элементами схемы охранного устройства применены резисторы общего назначения с металлодиэлектрическим проводящим слоем типа МЛТ–0.125, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Диапазон рабочих температур -60..+125⁰С.

2.3.3 Конденсаторы. В устройстве необходимо применение как конденсаторов постоянной емкости, так и полярных конденсаторов. В качестве элементов емкости были выбраны в качестве конденсаторов постоянной емкости конденсаторы типа К-10-17-2, а в качестве полярных конденсаторов электролитические конденсаторы типа К53-6А.

Конденсаторы постоянной емкости серии К10-17-2. Характеризуются высокими

электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Установочная площадь первого конденсатора – 56,28 мм². Установочная площадь второго конденсатора – 103,2 мм². Диапазон рабочих температур минус 60...+ 125С.

2.3.4 Оптопара транзисторная.

?

2.3.5 Диоды, светодиоды,диодный мост. Диод типа КД522Б применен в схеме по своему функциональному назначению. Диапазон рабочих температур -55...+100 ⁰С.

Применение в качестве элемента световой сигнализации светодиода АЛ307Б обусловлено малым потреблением энергии в отличие от ламп накаливания. Данный светодиод имеет красный цвет свечения.

Диодный мост КЦ405А применяется преобразования переменного тока в постоянный.

2.3.6 Транзисторы. В устройстве индикации используются транзисторы КТ315А. Транзистор КТ315А (n-p-n) маломощный, низкочастотный; максимальный ток коллектор-эмиттер 100 мА; максимальное напряжение коллектор-база 25 В.

Параметры элементной базы коммутатора входов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные конструктивные параметры элементной базы коммутатора входов

Наименование элемента	Обозначение на схеме	Вариант установки	Установоч-ная площадь, мм2	Диапазон температур, С
Микросхемы: К561ТМ2 К561КП1 К561ИД1	DD1 DD2 DD3	VIII-a VIII-a VIII-a	253 280 280	-40..+60 -40..+60 -40..+60
Конденсаторы: К53-6А-15В-15мкф К10-17-2-0,1мкф	С1,С2 С3,С4	IX-б II-в	246,2 121
Резисторы МЛТ-0,125	R1…R22	II-а	807	-60..+125
Светодиод АЛ307А	HL1..HL4	-	-	-60..+70
Диод КД522Б	VD1…VD10	II-а	562,5	-55..+100
Диодный мост КЦ405А	VD11		807	-40..+85
Транзисторы КТ315А	VT1..VT4	II-в	144	-55..+85
Оптопара транзисторная АОТ128А	U1..U4	VIII-a	608	-45..+85
Тиристор	VS..VS4	-	-	-60..+85
Кнопка КМ-150	SB1..SB4	-	-	-40..+90

Таким образом, с учетом выбранной элементной базы диапазон рабочих температур устройства составит -40..+60 С, что соответствует техническому заданию.

3. Разработка конструкции

3.1 Предварительная компоновка изделия.

3.2 Предварительная разработка конструкции устройства

Для выбора рациональной компоновки блока используют три параметра

[6, страница 4]:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

3.2.1 Определение габаритных размеров блока.

Для размеров блока необходимо знать его габаритные размеры: длину, высоту и ширину . Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (печатная плата, разъемы, для подключения устройства к внешней аппаратуре).

Для определения объема печатной платы найдем ее размеры. На основе таблицы 2 определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на печатную плату.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0.7, получим значение площади

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон печатной платы и был выбран 60100 мм по ОСТ4.010.020-83. [3, страница 19]

Для определения объема печатной платы необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ. Для рассматриваемой печатной платы она равна 14 мм (конденсатор C1). Тогда

Vпп = 50·80·14 = 8,4·10⁴ мм³.

Определяем габаритные размеры блока, с учетом расположения разъемов для подключения к внешней аппаратуре, блока тринисторов, блока управления. С учетом зазоров между печатной платой и стенками корпуса, а также толщиной стенок корпуса, получаем габаритные размеры блока: длина A₁=195 мм, ширина B₁=80 мм и высота H₁=40 мм.

Определяем полный объем

V₁ = A₁·B₁·H₁=195·80·40 = 6,24·10⁵ мм³;

Площади поверхностей компоновки блока

S= 2·(A·B+B·H+A·H)

S= 2·(195·80+80·40+195·40) =53200мм²;

Приведенная площадь наружной поверхности

Коэффициент приведенных площадей

где S_пр.ш – приведенная площадь шара

где d – диаметр шара, мм.

Вычислим диаметр шара через объем шара V_ш=V:

Тогда:

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен:

(20)

Составим отношение:

, (21)

Таким образом, первый вариант блока более оптимальный по площади наружной поверхности.

3.4 Коэффициент заполнения объема.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой:

V_а=V_пп1+ V_пп2 =49500+12000=61500 мм³ (22)

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

(23)

(24)

(25)

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока больше, чем для первого варианта. Следовательно, во втором случае объем используется более эффективно.

Вывод. По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран второй вариант компоновки (рисунок 1,б), так как его объем используется наиболее эффективно.