Материал: Конструкція пристрою попереднього підсилювача

Розраховані значення ширини провідників не перевищують обраних для третього класу точності.

2.4.4 Аналіз електромагнітної сумісності елементів друкованої плати

Зі збільшенням швидкодії схеми все більшого значення набувають питання високочастотних зв’язків між елементами. При цьому стає обов’язковим не тільки визначення параметрів тієї або іншої лінії зв’язку (опору, ємності, індуктивності тощо), але і міри впливу їх одна на одну (паразитні ємність, взаємоіндуктивність тощо). Це особливо важливо в мікроелектронних виробах, бо час переключення елементів складає одиниці наносекунд і щільність розміщення мікросхем достатньо висока.

Електричні параметри елементів друкованої плати залежать від цілого ряду чинників, що в тій чи іншій мірі впливають на зміну розрахункових величин : режиму роботи схеми, матеріалу захисних покрить, технології виготовлення і т. ін. Комплексне врахування всіх цих чинників достатньо складне і тому недоцільне на етапі проектування друкованої плати. Тут необхідний орієнтовний, з достатнім ступенем точності, розрахунок, який перевіряється і уточнюється після виготовлення і дослідження першої партії друкованих плат [16].

Метою розрахунку електромагнітної сумісності є визначення працездатності пристрою в умовах впливу перехресних перешкод в лініях зв’язку, а також зовнішніх електромагнітних полів [17].

. Діелектрична проникність середовища між провідниками, що розташовані на зовнішній поверхні плати, яка покрита лаком, дорівнює:

. Визначаємо взаємну ємність та індуктивність провідників, які розташовані на одній поверхні друкованої плати:

[пФ]

де =5 найменша відстань між двома провідниками, м;=3,5·10-5 - товщина провідного шару міді, м;=2,5×10-4 - ширина провідників для третього класу точності, м;

= 9,72 (пФ).

Паразитна взаємоіндукція між двома друкованими провідниками М, нГн, визначається за формулою:

[нГн]

де S-відстань між провідниками, S = 0,05 см;- довжина взаємного перекриття провідників, l2 = 11,5 см;, t2 -ширина провідників, t1 = t2 = 0,025 см.

Маємо:

Із запропонованих розрахунків паразитних ємностей і індуктивностей видно, що їхні параметри знаходяться в межах норми і не потрібно додаткових засобів з їх зниження.

2.4.5 Розрахунок плати на вібростійкість

Визначаємо частоту власних коливань за формулою:

де a, b - довжина і ширина плати: а = 115 мм, b = 115мм;

D-циліндрична жорсткість:

D =

де Е - модуль пружності, для фольгованого склотекстоліту з друкованою схемою Е = 3,2*1010 Н/м2 ;- товщина плати, h = 1,5 мм;- коефіцієнт Пуассона, v = 0,22;

М - маса плати з радіоелементами,

r - густина склотекстоліту, r = 1,4 г/см3

Мел - сумарна маса елементів (див. табл. 2.3)

М = r·a·b·h + Мел = 1,4·9,5·7·0,15 + 65 = 79 г.

D = (1 - 0,222) = 9,45;= Гц.¹ fp

Гц ¹ 442 Гц.

Отже, частота власних коливань не співпадає з резонансною частотою, а співвідношення розмірів плати задовольняють вимогам вібростійкості.

Визначаємо коефіцієнт динамічності за формулою:

де K(x), K(y) - залежність коефіцієнта від коливань. Коли обидва краї закріплені K(x) = K(y) =1,3 ;

h - коефіцієнт розстроювання:

h = f/fp = 80/442 = 0,18;

e - показник затухання e = l/p » 0,01;

l - декремент затухання l = (2...10)∙10-2 .

Маємо:

Кдин=.

Віброзміщення визначається за формулою:

= x0 * Кд

де а0 - віброприскорення згідно технічного завдання, а0=2g = 19,6,

x0=мм,= ;

віброприскорення:

аВ = .

Визначаємо прогин плати:

dдоп = SB - x0 = ,

dгран = .

Як видно з розрахунків, прогин друкованої плати не перевищує допустимого значення, можна сказати, що вібраційні навантаження не вплинуть на роботу пристрою.

2.4.6 Розрахунок на дію удару

Цей розрахунок здійснюється для перевірки міцності при транспортуванні (в упакованому вигляді).

Пристрій має витримувати тривалість ударного імпульсу 5-10 мс, пікове прискорення до 5g. Як і розрахунок на вібраційні дії, розрахунок на дії удару здійснюється для друкованої плати. Враховуючи те, що максимальну дію створює імпульс прямокутної форми, перевірку умов удароміцності необхідно провести для цього імпульсу [20].

Умовна частота ударного імпульсу визначається:

w = p / t

Де w - тривалість ударного імпульсу t мс.

w = 314 с-1

Коефіцієнт передачі при ударі:

Ку = 2sin(p / 2V )

Де V - коефіцієнт розстроювання, V = w / 2pf = 0,1;

Ку = 0,64.

Ударне прискорення розраховується:

ау = Ну . Ку

де Ну - амплітуда прискорення ударного імпульсу, Ну = 49 мс.

ау = 0,03.

Максимальне відносне переміщення визначається:

Zmax = Нy / 2pf0 sin(p/2V) = 1,18 . 10-5

Для друкованої плати повинна виконуватись умова:

Zmax< 0,003b;

Zmax = 1,18 . 10-5 < 3,75 . 10-4.

Аналізуючи отримані дані приходимо до висновку, що обраний спосіб кріплення друкованої плати (чотири отвори по краях плати) та її товщина забезпечують найменшу частоту власних коливань, найбільше віброзміщення при дії вібрації і найменше ударне прискорення при дії ударів. Цей вибір обумовлюється також тим, що дія вібрації відбувається лише під час транспортування приладу.

2.4.7 Тепловий розрахунок пристрою

В процесі виробництва, зберігання і експлуатації пристрій зазнає дії різних температур. Сам пристрій є джерелом тепла, оскільки ККД мікросхем становить 50...60 %, тому значна кількість енергії виділяється у вигляді тепла. Якщо ця енергія не розсіюється, то підвищується температура пристрою і зростає інтенсивність відмов.

Визначимо тепловий режим і виберемо систему охолодження згідно з методикою [20]. Початковими даними для розрахунку є наступні:

а) внутрішні розміри пристрою: 0,115´0,115´0,65 м;

б) внутрішній об’єм пристрою V = 2∙10-4 м;

в) потужність споживання:

;

де Ррез - потужність споживання резисторів, Рмікр - мікросхем, Рдіод - діодів, Ртр - транзисторів.

г) коефіцієнт заповнення КЗАП = 0,5;

д) максимальна температура навколишнього середовища (вибирається за найменшою температурою з гранично допустимих для всіх елементів) Тмах = +85 ºС = 358 К;

е) гранично допустиме перегрівання повітря в пристрої (за максимальної температури повітря Тпов= 35 ºС = 308 К):

.

Визначаємо коефіцієнт форми пристрою:

К0 =

де Н - висота блоку, м;- внутрішній об’єм пристрою, м3;

К0 =.

Визначаємо площу поверхні відведення тепла за формулою:

отримаємо:

.

Визначаємо питомий тепловий потік нагрітої зони:

де Ф - потужність розсіювання, яка становить 40% від споживаної потужності:

Ф = ;

.

Перегрівання для апаратури з природною конвекцією:

Порівнюємо значення і отримане значення: > , а отже, забезпечено умови нормального теплового режиму, і природної конвекції для цього достатньо.

2.4.8 Розрахунок надійності за раптовими відмовами

Надійність є одним з основних параметрів виробу, після розрахунків якого робляться висновки про вірність вибраної схеми та конструкції виробу. Надійність приладу визначається надійністю та кількістю елементів, які використовуються, кількістю зв’язків між ними, способами кріплення елементів та видами їх з’єднань між собою, а також впливом зовнішніх факторів, теплових та електричних навантажень елементів приладу.

Розрахунок надійності пристрою полягає у визначенні показників надійності виробу за відомими характеристиками надійності складових елементів і умовами експлуатації. Вихідними показниками розрахунку надійності є інтенсивності відмов радіоелементів за нормальних умов.

Скористаємось методикою розрахунку експлуатаційної надійності згідно з [21] за допомогою математичних моделей.

В загальному випадку математична модель має вигляд:

де lе - експлуатаційна інтенсивність відмов, с-1;

l0 - інтенсивність відмов за нормальних умов і номінального електричного навантаження, с-1;

Кі - складові коефіцієнти математичної моделі.

Для електронної апаратури сумарна інтенсивність відмов:

де КАМ - коефіцієнт, який залежить від амортизації електронної апаратури; за відсутності системи амортизації у виробі (як у нашому випадку) КАМ = 1;

КОБСЛ - коефіцієнт, який залежить від якості технічного обслуговування електронної апаратури; для побутових виробів КОБСЛ = 1;

lеі - експлуатаційна інтенсивність і-го типу електронної апаратури;- кількість типів електронних елементів у пристрої.

Оскільки пристрій - стаціонарний, використовується в лабораторних умовах, то коефіцієнт умов експлуатації Ке = 1 [21], запишемо математичні моделі для кожного з елементів конструкції і обчислимо значення інтенсивностей відмов.

Для конденсаторів:

,

де КР - коефіцієнт навантаження, визначається з таблиці 2.6 [24];

КС - коефіцієнт, що залежить від ємності конденсатора, з таблиці 2.8.

Оскільки на конденсаторі максимальна напруга падає тоді, коли вона рівна напрузі живлення, то відношення U/UН:

,

тому КР = 0,15, а КС = 0,8 (в середньому), то матимемо:

.

Для мікросхем:

маємо:

.

Для резисторів:

де КР - коефіцієнт навантаження, визначається з таблиці 3.6 [21]; КР = 0,57;

КR - коефіцієнт, що залежить від опору резистора, з таблиці 3.7 [21], КR = 0,7 (для резисторів опором 1…100 кОм). Маємо:

.

Для діодів:

де КР - коефіцієнт навантаження, визначається з таблиці 3.9 [21]; КР = 0,36 (за коефіцієнта навантаження 0,7);

КФ - коефіцієнт, що залежить від функціонального режиму роботи, з таблиці 3.13 [21], КФ = 1;

КS1 - коефіцієнт, що залежить від навантаження за напругою, згідно таблиці 3.14 [21] КS1 = 1,0. Маємо:

.

Для транзисторів:

де КР - коефіцієнт навантаження, визначається з таблиці 3.9 [21]; КР = 0,36 (за коефіцієнта навантаження 0,7);

КФ - коефіцієнт, що залежить від функціонального режиму роботи, з таблиці 3.13 [21], КФ = 1;

КS1 - коефіцієнт, що залежить від навантаження за напругою, згідно таблиці 3.14 [21] КS1 = 1,0. Маємо:

Занесемо результати обчислень до таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 - Експлуатаційні інтенсивності відмов елементів пристрою

Сумарна інтенсивність відмов:

.

Надійність пристрою характеризується напрацюванням на відмову, що обчислюється за формулою:

(год).

Середній час напрацювання на відмову складає

Т = 1/(30,07*10-6)=32250 год.

Імовірність безвідмовної роботи приладу протягом t1 = 1000 годин буде дорівнювати:

( t i ) = exp (-l×t1)

P ( t i )= e -30,07 ∙ 0,000001 ∙ 1000 = 0,97.

Як бачимо, надійність пристрою є досить високою, що підтверджує його оптимальність, а також задовольняє вимогам технічного завдання.

ВИСНОВКИ

. У курсовому проекті розроблявся автомат світлових ефектів з музичною активацією.

. Було проведено порівняльну характеристику приладу, що розробляється з вже існуючими прототипами та аналогами, вказані переваги та недоліки.

. Запропонована електрична принципова схема пристрою на основі мікроконтролера та вітчизняних і зарубіжних радіоелементів.

. На основі електричної принципової схеми проведено трасування та встановлені розміри плати виробу 115×115 мм і розрахована маса 97,2 г.

. За матеріал для друкованої плати обрано склотекстоліт фольгований двосторонній марки СФ-2-35-1.5, який має товщину фольги 35 мкм, товщина матеріалу з фольгою 1.5 мм.