2.2 Анализ электрической схемы

Целью анализа электрической схемы является формирование структуры изделия.

На электрической принципиальной схеме таймера представлены цифровая часть прибора, индикатор, динамическая головка.

В микросхеме DD2 объединены задающий генератор, работающий с кварцевым резонатором ZQ1 на частоту 32768Гц, пятнадцати разрядный делитель частоты и двоичный счетчик с коэффициентом пересчета 60. С выхода М одного из счетчиков этой микросхемы (вывод 10) снимаются импульсы с периодом 1минута, который после инвертирования логическим элементом DD6.2 поступают на вход CN счетчика – дешифратора DD1. Через каждые 10 минут на выходе Р счетчика DD1 появляться импульсы, который подсчитывает счетчик – дешифратор.

Этот счетчик формирует на своих выходах 1-7 одиночные импульсы через 10,20,30,40,50,60,70 минут соответственно. Если счет импульсов продолжается, то циклы формирования одиночных импульсов будут повторятся через каждые 100минут.

С выхода 5 счетчика DD1 снимаются импульсы, сдвинутые на 50 минут от начала счета. Эта последовательность и четыре сигнала, снимаемые с выходов 1-4 счетчика DD3, поступают на выходы формирователя промежуточных интервалов 15,25,35,45 минут. Он составлен из четырех элементов И-НЕ микросхемы DD4 и четырех инверторов микросхемы DD5. переключателем SA1 устанавливают требуемую временную выдержку.

В формировании сигнала звуковой частоты участвуют четырехвходовый элемент 4И-НЕ DD6.1 и транзистор VT1. На верхний по схеме вход элемента DD6.1 поступают импульсы с частотой повторения 1024Гц с выхода F делителя частоты микросхемы DD2, на второй сверху – выбранная переключателем SA1 последовательность импульсов, на третий – импульсы длительностью 1 минута с периодом повторения 5 минут со счетчика DD1, и на нижний - секундные импульсы со счетчика микросхемы DD2. Таким образом, в моменты совпадения всех сигналов на выходе элемента DD6.1 появляется прерывистый сигнал звуковой частоты (1024Гц) длительностью 1 минута (0,5с – сигнал, 0,5 с – пауза). Этот сигнал усиливает по току транзистор VT1. усиленный сигнал воспроизводит динамическая головка ВА1.

Для установки счетчиков таймера в исходное – нулевое – состояние служит кнопка SB1. момент отпускания кнопки служит началом отсчета времени.

Таймер потребляет ток практически только во время звукового сигнала (около 8мА). Поэтому после появления звукового сигнала желательно выключить питание таймера тумблером SA2 [16].

2.3 Оценка элементной базы

В разрабатываемом устройстве применяются микросхемы серии К176, главной особенностью которых является очень малое потребление тока в статическом режиме  0,1...100 мкА. Номинальное напряжение питания микросхем этих серий 9В  5%, однако, они сохраняют работоспособность в диапазоне питающих напряжений 3,5...12 В. Применение микросхем серий К176 с широким рабочим диапазоном напряжения питания и малым потреблением энергии обусловлено использованием внутреннего источника питания. Диапазон рабочих температур составляет –45…+85 ˚С .

Виды микросхем [1]:

• К176ИЕ8 – счетчик – дешифратор, тип корпуса 238.16-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К176ИЕ12 – счетчик, тип корпуса 238.16-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К561ЛА7 – четыре логических элемента И-НЕ, тип корпуса 201.14-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К176ЛА8 – четыре логических элемента И-НЕ, тип корпуса 201.14-1, вариант установки на печатную плату VIII a.

В приборе экономичный таймер используются прецензионные неизолированные резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем серии МЛТ мощностью 0,125 и 0,25Вт, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока и характеризующиеся высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Диапазон рабочих температур от –60 до +125С. Диапазон номинальных сопротивлений 8,2…. Масса –не более 0,15 г. Уровень собственных шумов составляет 5 мкВ/В. Вариант установки на печатную плату II a.

Предельные эксплуатационные данные:

• предельное рабочее напряжение постоянного и переменного

тока, В 200;

• минимальная наработка, ч 25000;

• срок сохраняемости, лет 15.

В схеме применяется низковольтный керамический конденсатор К53-10, предназначенный для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Вариант установки на печатную плату II а [16]. Подстроечный конденсатор с твердым диэлектриком, дифференциальный КТ4-23. Диапазон рабочих температур конденсаторов от –60 до +85˚С.

В приборе экономичный таймер используется германиевый точечный диод Д9А. Диапазон рабочих температур конденсаторов от –55 до +60˚С. Вариант установки на печатную плату II а [16].

Предельно эксплуатационные данные:

- выпрямленный ток I, mA 125

- обратное напряжение U, В 10

- наработка не менее, ч 8000

В качестве индикатора используют светодиод АЛ102А, красный. Сила света 40нт, постоянное прямое напряжение 2,8В. Диапазон рабочих температур конденсаторов от –60 до +70˚С.

В устройстве используется кремниевый эпитаксиально - планарный p-n-p усилительный транзистор КТ361. Диапазон рабочих температур транзистора от –60 до +100˚С. Вариант установки IIв.

Анализируя условия эксплуатации и технические условия на использование элементной базы, можно сделать вывод, что устройство можно эксплуатировать в диапазоне рабочих температур -45…+85⁰С, что соответствует техническим требованиям задания. Все элементы используются в стандартных корпусах, не требуют дополнительной герметизации, устанавливают согласно ОСТ4.010.030-81.

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭА

3.1 Предварительная разработка конструкции экономичного таймера

При разработке конструкции устройства были учтены технические требования к прибору. Объем устройства должен быть минимален, а коэффициент заполнения – максимален. Помимо этого конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов. Разрабатываемый прибор должен быть ремонтопригодным и обеспечивать удобства эксплуатации.

Для обеспечения поставленных на данном этапе требований необходимо проанализировать два варианта компоновки проектируемого устройства.

Варианты компоновки устройства приведены на рисунках 1а и 1б.

Для выбора рациональной компоновки блока используют три параметра:

1. приведенная площадь наружной поверхности;

2. коэффициент приведенных площадей;

3. коэффициент заполнения объема [12].

Для определения этих параметров необходимо вычислить площадь печатной платы.

При расчете суммарной установочной площади элементов необходимо учитывать, что расстояние между корпусами ЭРЭ с учетом теплоотвода должно быть не менее 0,5 мм. Кроме того, ЭРЭ должны располагаться с учетом возможности их замены.

Тогда площадь, занимаемая резистором (диодом или конденсатором) определяется по формуле:

(1)

где a – ширина резистора (диода или конденсатора), мм ;

b –установочная длина для резистора (диода) или длина конденсатора, мм.

Площадь, занимаемая микросхемами:

(2)

где а – установочная ширина микросхемы, мм;

b – длина микросхемы, мм.

Результаты расчетов занесены в таблицу 2.

Таблица 2 – Площади установочной поверхности элементов

Элементы	Обозначение элементов	Установочная площадь одного элемента, мм2	Количество	Общая площадь, мм2
Микросхемы
К176ИЕ8	DD1, DD3	196,56	2	393,12
К176ИЕ12	DD2	196,56	1	196,56
К561ЛА7	DD4, DD5	173,44	2	346,88
К561ЛА8	DD6	173,44	1	173,44
Конденсаторы
К53-10	С1	300	1	300
КТ4-23	С2	96,3	1	96,3
Резисторы
МЛТ 0,125	R1…R4	58,75	4	235
МЛТ 0,25	R5, R6	68,75	2	137,5
Диоды
Д9А	VD1, VD2	61,88	2	123,75
Транзистор
КТ361	VT1	55	1	55
Резонатор
РК124А	ZQ1	14,4	1	14,4

По данным таблицы 2 можно определить общую установочную площадь элементов, которая определяется по формуле:

S=S_R+S_C+S_VD+S_DD+ S_VT+S_ZQ (3)

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

S_C - площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП, мм²;

S_VD - площадь, необходимая для установки диодов на ПП, мм²;

S_DD - площадь, необходимая для установки микросхем на ПП, мм²;

S_VT - площадь, необходимая для установки транзистора на ПП, мм²,

S_ZQ - площадь, необходимая для установки резонатора на ПП, мм².

Площадь печатной платы с учетом коэффициента заполнения печатной платы, равного 0,6:

мм². (4)

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы по ГОСТ 10317-79: 40:100, 50:70, 35:100, 60:60, наиболее предпочтительным является размер 60х60.

Установочный объем элементов определяется исходя из максимальных с учетом монтажа размеров по ширине, длине и высоте. Произведение этих величин с коэффициентом запаса 1,5 определяется установочный объем большинства элементов. Установочный объем печатной платы определяется произведением коэффициента запаса 1,5, площади ПП и самой большой высоты элемента (подстроечный конденсатор 10мм):

мм³, (5)

где S_ПП – площадь печатной платы , мм²;

Н– высота построечного конденсатора, мм.

мм³_.

Рассмотрим первый вариант компоновки, приведенный на рисунке 1а. Его габариты 105х120х65 мм.

Объем блока:

мм³. (6)

Площадь блока:

S₁=мм². (7)

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1. (8)

Коэффициент приведенных площадей:

(9)

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

(10)

где r - радиус вписанного шара, мм.

мм. (11)

Коэффициент приведенных площадей:

. (12)

Коэффициент заполнения объема:

, (13)

где V=V₁/0.6 – объем устройства,

- объем аппаратуры,мм³;

V_i – объем отдельного элемента в аппаратуре, мм³.

мм³ – объем галетного переключателя;

мм³ – объем динамической головки;

мм³ – объем тумблера;

мм³ – объем кнопки;

мм³ – объем светодиода;

мм³ – объем печатной платы.

Рассмотрим второй вариант компоновки (рисунок 1б). Его габаритные размеры 105х90х90 мм.

Объем блока:

мм³. (14)

Площадь блока:

S₂=мм².

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1. (15)

Коэффициент приведенных площадей:

(16)

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

(17)

где r - радиус шара описанного около корпуса, мм.

мм. (18)

Коэффициент приведенных площадей:

(19)

Коэффициент заполнения объема:

, (20)

а)

б)

Рисунок 1 - Несущая конструкция

1. – галетный переключатель

2. – динамическая головка

3. – светодиод

4. – тумблер

5. – кнопка

6. – печатная плата.

При сравнении двух вариантов компоновки получили, что К_пр1/ К_пр2 > 1, следовательно, второй блок более оптимальный по площади наружной поверхности, имеет меньший объем и больший коэффициент заполнения, то есть отвечает техническим требованиям, предъявляемым к экономичному таймеру. Поэтому целесообразнее остановить выбор на втором варианте компоновки блока, который и будет исходным для дальнейшей разработки конструкции.

В проектируемом устройстве используется два типа монтажа: печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально законченный узел  цифровую часть прибора. Объемный монтаж необходим для соединения друг с другом функционально законченных узлов схемы (цифровой части, индикации, стабилизатора напряжения питания, датчика вращения), а также ЭРЭ внутри них [14].