2.2 Описание функционирования устройства по схеме электрической принципиальной

Функциональный прибор состоит из генератора тактовых импульсов, собранного на элементах DD1.3-DD1.5, двух генераторов случайных чисел (ГСЧ), один из которых управляемый.

Первый ГСЧ собран на элементах DD2.1, DD2.2, DD4, он работает постоянно и задает набор сигналов D1-D4 для реализации псевдослучайного режима работы. А второй ГСЧ выполнен на элементах DD1.1, DD1.2, DD3 и управляет режимами работы в целом (линии R1-R8). Генератор тактовых импульсов определяет скорость переключения светодиодов, сигнал с него поступает на сдвигающие регистры DD11 и DD12 и на ИС DD5 и DD6, образующие синхронный вычитающий счетчик. Счетчик DD5 – делитель на 16, задает длительность периода светового эффекта, равную шестнадцати тактам. Микросхема DD6 – счетчик повторов, определяющий длительность исполнения текущего светового эффекта. Также устройство состоит из селектора сигналов, выполненного на мультиплексорах DD8 и DD9 и управляемого выводами R1-R2 ГСЧ; коммутатора тактовых импульсов, выполненного на микросхемах DD7 и DD10 и набором светодиодов 1HL1-8HL1.

В рабочем режиме счетчик DD3 остановлен напряжением высокого уровня на входах CN (выводы 1-9), поэтому его выходные сигналы R1-R8, определяющие режим работы, фиксированы. Счетчики DD5 и DD6 работают на вычитание. Когда их общий счет дойдет до нуля, что означает окончание текущего светового эффекта, на выходе Р DD6 появится логический 0. Дифференцирующая цепь R2C4 формирует разрешающий отрицательный сигнал

на входах CN счетчика DD3, в результате чего на его триггеры поступит пачка импульсов со счетного входа CP. Число импульсов зависит от параметров цепи R2C4 и тактовой частоты генератора на элементах DD1.1, DD1.2. после прохождения пачки на выходах счетчика останется комбинация сигналов R1-R8,

определяющая вид нового светового эффекта. Со следующем тактовым импульсом напряжение на выходе P DD6 изменяется до уровня логической 1 (высокого уровня). Дифференцирующая цепь R5C5 формирует импульс положительной полярности , по фронту которого в счетчик DD6 с входов D1, D2, D4, D8 записывается новое псевдослучайное число, задающее длительность следующего светового эффекта в периодах (каждый период равен 16 тактам). Затем начинается исполнение нового светового эффекта, которое будет идти до достижения счетчиками 0. Далее процесс повторяется.

Напряжение низкого уровня на линии R1 задает режим «упорядоченных рисунков»; на вход D каждого регистра проходит одна из комбинаций сигналов A1-A4 с делителя DD5. Элементы DD2.3 и DD2.4, создавая возможность инверсии сигналов, несколько увеличивают число комбинаций. Напряжение уровня логической 1 на линии R1 включает режим «беспорядочных рисунков»; на входы D регистров подаются псевдослучайные пары сигналов с линии D3,D4.

Если же в одном из селекторов включен канал 7, то соответствующий регистр замкнется в кольцо (8- или 16-битное в зависимости от состояния элемента «исключающее ИЛИ») и останется в таком положение до конца эффекта.

Когда на выходе элемента совпадения VD1R6 (т.е. хотя бы на одной из линий R4, R8) напряжение низкого уровня, оба элемента DD10.2, DD10.4 открыты. Тактовые импульсы, длительность которых уменьшена дифференцирующей цепью R7C6, проходят синхронно на оба регистра, поэтому светодиоды переключаются обычным порядком. Если же на выходе элемента совпадения напряжения высокого уровня, регистры начинают работать раз-дельно; очередность их переключения определяется состоянием мультиплексора DD7. Допустим, замкнут канал 2 DD7 (выводы 15 и 3). При этом первые четыре тактовых импульса вызывают сдвиг в регистре DD11, следующие четыре – в DD12 и т.д. Визуально это проявляется в том, что красные и зеленые цвета на

индикаторах движутся раздельно, а при «наползании» одних на другие образуются желтые. Замыкание канала 6 в DD7 приводит к тому, что регистры начинают переключаться в случайном порядке. Все это, наряду с коммутацией сигналов мультиплексорами DD8 и DD9, создает весьма неожиданные и интересные цветовые рисунки.

2.3 Оценка элементной базы

Система сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания 12В10%.

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.

1) Микросхемы. В разрабатываемом устройстве применяются микросхемы серии К561, представляющие собой комплекс микромощных микросхем, второй – третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. 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 напряжения питания. Напряжение питания серии составляет 9В10%. Диапазон рабочих температур -10…+70. Выполняются в корпусах 238.16-1 и 201.14-1.[7]

2) Элементы сопротивления. Применяются высокоомные резисторы КИМ – 0,125 с пределом номинального сопротивления 27 Ом – 100МОм и резисторы С2-33, мощностью 0,25Вт и номиналом 470Ом. Диапазон рабочих температур -60…+125. Вариант установки IIа. [7]

3) Элементы емкости. В проектируемом устройстве используются мало-

габаритные пакетные керамические конденсаторы серии К21-7 с пределом номинальной емкости 56-1000пФ, и К10У с пределом номинальной емкости 0,033-0,22мкФ. Диапазон рабочих температур -60…+70. Вариант установки IIа. [7]

4) Элементы индикации. В качестве элементов световой индикации применяются светодиоды серии АЛС331АМ. Модуль индикации имеет красно-зеленый цвет свечения. Диапазон рабочих температур -60…+70. Вариант установки IIa. [7]

5)Полупроводниковые элементы. В устройстве используется транзистор КТ315Г. Транзистор КТ315Г (n – p - n) маломощный, высокочастотный; максимальный ток коллектор – эмиттер 100мА; максимальное напряжение коллектор – эмиттер 15В. Диапазон рабочих температур -40…+8. Вариант установки IIa. [7]

6) Диоды КД208А и КД103А, диапазон рабочих температур – 60…+100. Вариант установки IIa. [7]

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МИНИ – АВТОМАТА СВЕТОВЫХ

ЭФФЕКТОВ

Разрабатываемое устройство мини-автомат световых эффектов, которое состоит из 2 модулей (смотреть на схеме принципиальной электрической УИТС.334143.048 ЭЗ):

1) основной модуль А1;

2) модуль индикации А2.

3.1 Объемно – компоновочный расчет

Рисунок 1(а, б)

Для выбора компоновки блока рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением печатной платы, органов коммутации, управления и индикации (рисунок 1 а, б).

Рациональная форма блока определяется по трем параметрам [5]:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

Таблица 1 - основные конструктивные параметры ЭРЭ

Наименование элемента	Кол - во	Конструктивные параметры
		Установочная площадь, мм2	Общая установочная площадь, мм2
Конденсаторы: К10У–H50-0,033мкФ К10У-H50-0,22мкФ К21-7-56пФ К21-7-68пФ К21-7-220пФ	1 1 2 1 1	87,75 139,75 55 55 55	87,75 139,75 110 55 55
Микросхемы: К561ЛН2 К561ЛП2 К561ИЕ10 К561ИЕ11 К561КП2 К561ЛА7 К561ИР2	1 1 2 2 3 1 2	181,56 181,56 181,56 181,56 181,56 181,56 181,56	181,56 181,56 363,12 363,12 544,68 181,56 363,12
Резисторы: КИМ-0,125 С2-33-0,25	7 16	75 82,5	525 1320
Светодиоды: АЛС331АМ	8	69,55	556,44
Диоды: КД103А КД208А	1 1	79,5 110,25	79,5 110,25
Транзисторы: КТ315Г	16	53,35	853,6

3.1.1 О п р е д е л е н и е г а б а р и т н ы х р а з м е р о в б л о к о в д в у х в а р и а н т о в к о м п о н о в к и. Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) сравниваемых вариантов блоков. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (основная печатная плата, печатная плата индикации).

Для определения объема основной печатной платы найдем ее размеры.

мм², (1)

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

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

мм², (2)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (40120 мм, 50100 мм) и был выбран следующий: 50100 мм ОСТ4.010.020-83.

Был проведен анализ основной печатной платы, проведена ее трассировка. На основе проделанной работы выбираем следующий размер печатной платы: 60120 мм.

Для определения объема ПП необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина ПП. Для данной печатной платы она равна 25,5 мм.

Тогда

мм³; (3)

Для определения объема печатной платы индикаторов найдем ее размеры.

мм², (4)

где n – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

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

мм², (5)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (50100 мм, 40120 мм, 6090 мм) и был выбран следующий: 6090 мм ОСТ4.010.020-83.

Для определения объема ПП необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина ПП. Для данной печатной платы она равна 11,8 мм.

Тогда

мм³, (6)

Также в проектируемом устройстве используется элемент который имеет свой объем и площадь установки: кнопка КМ ее размеры 20,511,220,5 мм.

Определяем габаритные размеры блоков обоих вариантов в зависимости от расположения основной печатной платы устройства. В первом варианте печатная плата расположена горизонтально (рисунок 1, а). Плата индикаторов расположена на передней стенке устройства, рядом находится кнопка. С учетом этого, зазорами между печатными платами и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры первого варианта блока: длина А₁=130 мм, ширина В₁= 85 мм, высота H₁=70 мм.

Во втором варианте основная ПП расположена вертикально (рисунок 1, б). Плата индикаторов расположена на передней стенке корпуса, кнопка расположена на крышке корпуса. С учетом этого, зазорами между печатными платами и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры второго варианта блока: длина А₂= 130 мм, ширина В₂= 45 мм, высота H₂= 70 мм.

3.1.2 С р а в н е н и е в ы б р а н н ы х д в у х в а р и а н т о в к о м п о –

н о в к и б л о к о в. Определяем полный объем первого (рисунок 1, а) и второго (рисунок 2, б) вариантов:

мм³;

мм³,

Площади поверхностей вариантов компоновки блока:

мм²;

мм²,

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1; (7)

мм^-1, (8)

Коэффициент приведенных площадей:

, (9)

где S_{пр. ш} – приведенная площадь шара

, (10)

где d – диаметр шара, мм.

Для блока выполненного в форме шара, диаметр равен максимальной стороне блока, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда, т.е. для первого варианта d₁=d₂=130 мм. Тогда

мм^-1, (11)

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен

; (12) ; (13)

, (14)

следовательно, первый вариант блока оптимальный по площади наружной поверхности.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой (печатная плата основная, печатная плата индикации, кнопка).

V_a= V_ПП1+V_ПП2+V_к = (183600+63720+4707)=252027 мм³; (15)

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

; (16)

%; (17)

%; (18)

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока (рисунок 1, б) больше, чем для первого варианта (рисунок 1, а). Следовательно, в втором случае объем используется более эффективно.

Вывод:

1. Оптимальный по площади наружной поверхности – I вариант.

2. Объем используется эффективнее – II вариант (рисунок 1,б).

3.2 Выбор типа электрического монтажа

В проектируемом приборе применяются два типа монтажа – печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально-законченные узлы – печатные платы мини-автомата световых эффектов. Объемный монтаж необходим для соединения функционально-законченных узлов основной печатной платы с органами индикации.

Для печатного монтажа:

- число слоев ПП – двухсторонняя ПП;

- метод изготовления ПП – комбинированный позитивный;

- материал – стеклотекстолит фолгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78;

- размеры ПП: размер П1 (основного модуля А1) - 60120 мм, размер П2 (модуля индикации А2) - 6090 мм с учетом ГОСТ 10317-78.

Для объемного монтажа выбираем:

- провод марки – МПО 0,12 ТУ 16-505.339-79.

3.3 Выбор способа защиты устройства от внешних воздействий

Из требований по условиям эксплуатации, записанных в техническом задании можно сказать, что нет необходимости в применении специальных способов защиты устройства от климатических факторов, вибрации и помехонесущих полей. Частичную герметизацию осуществляет корпус устройства.

3.4 Выбор защитных покрытий

Защитные покрытия служат для защиты печатного проводника от коррозии, помех и паразитных емкостей.

Печатные платы покрываются лаком УР-231, кроме переходных отверстий.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Расчет печатного монтажа

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов у радиоэлементов, размещаемых на ПП,равен 0,95мм (транзистор КТ319Г), то выбираем толщину платы равной 1,5мм.

Для конструкции модуля используются двухсторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления печатной платы – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10317-79.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Размер печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86 равен 90100мм. Метод изготовления двухсторонней печатной платы – комбинированный позитивный, по четвертому классу точности.

Диаметры выводов элементов 0,5мм; 0,55мм; 0,59мм; 0,6мм; 0,7мм; 0,9мм; 0,95мм. Сгруппируем данные выводы элементов в две группы: 0,6мм; и 1мм.

Исходные данные:

расчетная толщина печатной платы Н_р, мм 1,5;

толщина фольги h, мм 0,05;

диаметры выводов радиоэлементов: D_выв1, мм 0,6;

D_выв2, мм 1;

максимальный постоянный ток I_max, А 0,32;

напряжение питания U, В 12;

допустимая плотность тока i_доп, А/мм² 38;

наибольшая длина проводника L, м 0,1.

При проведении расчета будут использованы коэффициенты, допуски, параметры, которые соответствуют четвертому классу точности изготовления двухсторонних печатных плат по ГОСТ 23751-86.