2.3 Оценка элементной базы

В разрабатываемом устройстве применяются микросхемы серии К176 и К561, 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 и К561 с широким рабочим диапазоном напряжения питания и малым потреблением энергии обусловлено использованием внутреннего источника питания. Диапазон рабочих температур составляет –45…+85 ˚С [3].

Виды микросхем [5]:

• К176ЛП2 – четыре логических элемента «ИСКЛ. ИЛИ», тип корпуса 201.14-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К176ИЕ1 – шестиразрядный двоичный счетчик, тип корпуса 201.14-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К561ИЕ10 – два синхронных двоичных счетчика-делителя, тип корпуса 238.16-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К176ИД2 – дешифратор двоичного кода для вывода информации на семисегментный индикатор, тип корпуса 238.16-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К176ИЕ4 – счетчик по модулю 10 с дешифратором для вывода информации на семисегментный индикатор, тип корпуса 201.14-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К561ЛА7 –четыре логических элемента «2И-НЕ», тип корпуса 201.14-1, вариант установки на печатную плату VIII a;

• К561ИЕ16 – четырнадцатиразрядный двоичный счетчик-делитель с последовательным переносом, тип корпуса 238.16-1, вариант установки на печатную плату VIII a.

В велоприборе используются прецензионные неизолированные резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем серии МЛТ-0,125, 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 [1]:

• предельное рабочее напряжение постоянного и переменного

тока, В 200;

• минимальная наработка, ч 25000;

• срок сохраняемости, лет 15.

В качестве конденсаторов применяются низковольтные керамические конденсаторы КМ-4б и КМ-5, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Для КМ-4б номинальное напряжение составляет 50 В, для КМ-5б – 100 В. Диапазон рабочих температур от –60 до +85 ˚С. Вариант установки на печатную плату II в [1].

В велоприборе используются кремниевые эпитаксиально-планарные, импульсные диоды КД522А. Температурный диапазон от –55 до +85 С. Масса не более 0,15 г. Вариант установки на печатную плату II а.

Предельные эксплуатационные данные [4]:

• постоянное обратное напряжение, В 30;

• импульсное обратное напряжение, В 40;

• средний прямой ток, мА 50;

• импульсный прямой ток, мА 850;

• температура перехода, ºС +125.

Так как добиться хорошего восприятия информации со светодиодных индикаторов при сильном солнечном освещении не удается, в разрабатываемом устройстве используется четырехразрядный жидкокристаллический индикатор ИЖКЦ14/18, который имеет высокую контрастность при сильном освещении и к тому же потребляет минимальный ток, что особенно важно при автономном питании. Контрастность знака по отношению к фону составляет не менее 87%. Управляющее напряжение – 7 В. Ток индикатора – не более 100 мкА. Частота управляющего напряжения – 50 Гц. Время реакции и релаксации не более 100 мс. Оформление – стеклянное, плоское; выводы – ленточные под распайку [12].

Анализируя условия эксплуатации и технические условия на использование элементной базы, можно сделать вывод, что устройство можно эксплуатировать в диапазоне рабочих температур -45...+85 ⁰ С, что соответствует техническим требованиям задания. Все элементы используются в стандартных корпусах и не требуют дополнительной герметизации.

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭА

3.1 Предварительная разработка конструкции велоприбора

При разработке конструкции устройства были учтены технические требования к велоприбору. 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 [18].

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
К176ЛП2	DD1	173,44	1	173,44
К176ИЕ1	DD2	173,44	1	173,44
К561ИЕ16	DD3	196,56	1	196,56
К561ЛА7	DD4	173,44	1	173,44
К176ЛИ1	DD5	173,44	1	173,44
К561ИЕ10	DD6	196,56	1	196,56
К176ИД2	DD7, DD8	196,56	2	393,12
К176ИЕ4	DD9, DD10	173,44	2	346,88
Конденсаторы
КМ-4б	С4, С5, С9	52,25	3	156,75
КМ-4б	С1, С8	41,25	2	82,5
КМ-4б	С7, С6	55,1	2		110,2
КМ-5б	С2	43,5	1		43,5
КМ-5б	С3	41,25	1		41,25
Резисторы
МЛТ	R1…R12	58,75	12		705
Диоды
КД522А	VD1, VD2	66	2	132

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

S=S_R+S_C+S_VD+S_DD, (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.

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

мм². (4)

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы и выбран размер 100х65 по ГОСТ 10317-79.

Высота печатной платы определяется высотой элементов и составляет 10 мм.

Объем, занимаемый ЭРЭ:

мм³, (5)

где V_пп – объем печатной платы, мм³;

V_пи – объем платы индикации, мм³.

Рассмотрим первый вариант компоновки, приведенный на рисунке 1а. Его габариты 115х75х45 мм.

Объем блока:

мм. (6)

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1. (7)

Коэффициент приведенных площадей:

(8)

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

(9)

где d₁ - диаметр шара описанного около корпуса, мм.

мм. (10)

Коэффициент приведенных площадей:

. (11)

Коэффициент заполнения объема:

(12) Рассмотрим второй вариант компоновки (рисунок 1б). Его габаритные размеры 115х80х60 мм.

Объем блока:

мм. (13)

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1. (14)

Коэффициент приведенных площадей:

(15)

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

(16)

где d₂ - диаметр шара описанного около корпуса, мм.

мм. (17)

Коэффициент приведенных площадей:

(18)

Коэффициент заполнения объема:

. (19)

При сравнении двух вариантов компоновки получили, что К_пр1/ К_пр2 < 1, следовательно, первый блок более оптимальный по площади наружной поверхности, имеет меньший объем и больший коэффициент заполнения, то есть отвечает техническим требованиям, предъявляемым к велоприбору. Поэтому целесообразнее остановить выбор на первом 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 [19].

Монтаж и конструкцию велоприбора необходимо выполнять с учетом условий его эксплуатации: сильная вибрация, воздействие дождя и пыли. Поэтому для обеспечения точной и долговременной работы устройства необходимо применить некоторые меры защиты. От влияния различных видов помех геркон соединяют с прибором экранированным проводом через резиновые втулки.

Поскольку длительное облучение табло индикатора прямым солнечным светом приводит к порче прибора, необходимо предусмотреть защитный козырек, тубус или другие меры защиты. Табло индикатора следует защитить от случайных ударов пластиной из органического стекла, а во время стоянок желательно закрывать индикатор непрозрачной крышкой. Дополнительной герметизации устройства не требуется.