Курсовая работа: Разработка модуля контроля полноты заряда аккумуляторных батарей

Емкость, между двумя параллельными проводниками, расположенных на одной стороне платы, находится по формуле:

где: - диэлектрическая проницаемость среды между проводниками, расположенных на наружных поверхностях платы, покрытой лаком.

,

где п и л- диэлектрические проницаемости материала платы и лака (для стеклотекстолита П = 6, для лака ЭП Л =4)

.

ln - длина участка, на котором проводники параллельны друг другу, мм (ln =31 мм);

b - ширина проводника, мм (b=0,8 мм).

tn - толщина проводника, мм (tn =35мкм).

а - толщина диэлектрика, мм (а =0,5 мм).

Собственная индуктивность печатного проводника:

Индуктивность двух параллельных печатных проводников:

Далее для определения явления взаимных наводок промоделируем процессы в параллельных проводниках с использованием утилиты анализа целостности сигнала P-CAD signal Integrity.

Явление взаимных наводок заключается в том, что сигнал, передаваемый по линии связи, передается на соседнюю дорожку благодаря наличию взаимных емкостей и индуктивностей. Очевидно, что и в аналоговых, и в цифровых цепях наводки могут вызвать ошибочные переключения, сбросы и т. п. Плотные платы еще более усугубляют проблему наводок.

Рассмотрим влияние цепи питания -5V (верхняя на рисунке) на находящуюся рядом с ней сигнальную цепь (Рис. 8.5.2). То есть источником наводок является цепь питания.

Рисунок 8.3. Взаимное расположение печатных проводников

Результат моделирования приведен на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4. Результат моделирования перекрестных помех

Уровни напряжений в цепи питания следующие:

Maximum: DD5.7

t = 54.13 ns

Vmax = 5.00 V

Maximum: DD4.7

t = 58.65 ns

Vmax = 5.00 V

Уровень наводок в сигнальной цепи составляет:

Maximum: DD5.6

t = 12.51 ns

Vmax = 0.01 V

Maximum: DD4.6

t = 13.56 ns

Vmax = 0.06 V

Из результатов анализа перекрестных наводок в параллельных проводниках можно сделать вывод, что при максимальном уровне помехи Vmax = 0.06 В , что составляет от 1,2% от напряжения сигнала источника помехи, не будет искажаться уровень логической единицы (V=2…5.75В) и логического нуля (V=0…0.8В) для микросхем DD4 и DD5.

Далее проведем анализ на отраженные помехи. Полеченные графики приведены на рисунке 8.5.

Рисунок 8.5. Результат моделирования перекрестных помех

Уровни исходного сигнала:

Minimum: DD5.6

t = 76.32 ns

Vmin = -0.00 V

Maximum: DD5.6

t = 54.18 ns

Vmax = 5.00 V

Уровни искаженного сигнала:

Minimum: DD4.6

t = 74.28 ns

Vmin = -0.00 V

Maximum: DD4.6

t = 53.95 ns

Vmax = 5.00 V

Как видно из полученных значений, сигнал практически не искажается.

8.6 Оценка теплового режима

В процессе разработки конструкций РЭС постоянно возникает задача расчета и анализа тепловыделения, на основании которого производится выбор конструктивных решений при проектировании систем.

Современные РЭС характеризуются не только сложными алгоритмами работы, но и сложной физической реализацией. С точки зрения теплового анализа картина представляется следующей: с одной стороны плотность монтажа и мощности растут, а с другой - повышается чувствительность элементной базы к температуре. В этой ситуации становится все сложнее и сложнее делать оптимальную компоновку элементов на печатной плате и обеспечить надежность конструкции. На практике при проведении теплового моделирования часто используются численные методы, основанные методах конечных разностей.

В данном курсовом проекте для моделирования тепловыделения использовалась программа HyperLynx Thermal (Mentor Graphic Corp.) Преимущества использования этой программы заключаются в том, что быстродействие больше приблизительно в 50 раз, чем при использовании математических методов. Моделируются процессы теплообмена, теплопроводности, конвекции и излучения. Особое внимание уделяется моделированию воздушной конвекции с учетом трехмерного расположения компонентов на плате.

Важным этапом подготовки к тепловому моделированию является правильное описание теплового взаимодействия печатной платы с окружающей средой и задание начальных условий нагрева. А именно:

- начальная температура - 40єС;

- давление воздуха - 760 мм рт.ст.;

- относительная влажность среды - 0,8%;

- расположение плат - горизонтальное. Также указывалось относительное расположение двух плат;

Далее задаются данные о компонентах и проводится моделирование. Ниже приведены результаты моделирования. Текст выходного файла программы приведен в Приложении А.

Рисунок 8.6. Температуры элементов

Рисунок 8.7. Градиенты температур

Из рисунка 8.6.1 видно, что температуры элементов находятся в диапазоне 36,4 - 61,5С, что не превышает предельных температур элементов печатной платы. Исходя из проведенного анализа, все элементы работают в номинальном температурном режиме. Следовательно, при работе устройства в максимально нагруженном режиме не будет происходить разрушение печатной платы. Значит нет необходимости делать перфорацию корпуса и дополнительное охлаждение.

Для нахождения температуры стенок корпуса воспользуемся комплексом ТРиАНА, предназначенным для моделирования тепловых процессов, происходящих в конструкциях РЭА.

В качестве нагретой зоны выберем элемент с максимальной температурой - транзистор VT1. Его мощность примем равной 15 Вт. В данном случае нагретая зона не касается стенок корпуса.

Теплообмен перфорированного блока можно разделить на внутренний и внешний.

Теплообмен внутри блока. Тепловая энергия, выделяемая нагретой зоной, передается излучением и конвекцией:

- излучением -- внутренним стенкам корпуса, а также через отверстия в корпусе внешней среде;

- конвекцией -- воздуху, протекающему внутри корпуса, от нагретой зоны и внутренних поверхностей корпуса. Тепловая энергия, полученная конвективно воздухом, через перфорированные отверстия выносится в окружающую среду.

Внешний теплообмен. От корпуса тепловая энергия излучением и конвекцией передается в окружающую среду.

Тепловая модель проектируемого устройства приведена на рисунке 8.8.

Рисунок 8.8. Тепловая модель измерителя емкости аккумуляторных батарей

В данной тепловой модели цифрами обозначены:

1-6 - стенки корпуса РЭУ;

7 - воздух внутри корпуса;

8 - нагретая зона;

9 - воздух снаружи корпуса.

В результате выполнения расчета теплового режима блока нашего устройства были получены значения температур всех узлов тепловой модели, которые приведены в таблице 8.3.

Таблица 8.3. Таблица температур в узлах тепловой модели

Полученные результаты свидетельствуют об удачно проведенном тепловом расчете, т.к. расчетные числовые значения температур меньше предельно допустимых значений, обеспечивающих безотказную работу измерителя емкости аккумуляторных батарей. Но для некоторого снижения температур предусмотрим перфорацию корпуса.

8.7 Полный расчет надежности

Надежность является одним из главных технических параметров, характеризующих РЭС.

Исходные данные для расчета надежности зависят от вида учитываемых отказов, количества подлежащих расчету показателей надежности, степень точности расчета. В нашем случае расчет будет выполнен для периода нормальной эксплуатации при следующих основных допущениях:

- отказы случайны и независимы;

- учитываются только внезапные отказы;

- имеет место экспоненциальный закон надежности.

При расчете будут учитываться не только элементы электрической схемы, но и элементы конструкции (монтажное соединения, печатная плата, монтажные проводники, несущие конструкции и т.д.).

Кроме того, при расчете надежности будет произведен точный учет электрического режима и эксплуатационных условий работы элементов.

Исходными данными для полного расчета надежности будут:

- схема электрическая принципиальная с перечнем используемых в конструкции элементов;

- значения коэффициентов электрической нагрузки элементов;

- справочные значения интенсивностей отказов элементов;

- условия эксплуатации элементов с учетом внешних и внутренних воздействующих факторов таких как : температура корпусов элементов, относительная влажность, уровень вибрации, передаваемый на элементы и т.д.;

- заданное время непрерывной работы устройства, t.

Расчет надежности выполняется в два этапа. На первом этапе лабораторные значения интенсивностей отказа элементов пересчитываются на конкретный электрический режим и условия эксплуатации по формуле:

где - значение интенсивности отказа i-го элемента с учетом режима и условий работы;

- справочное значение интенсивности отказа i-го элемента;

- поправочный коэффициент, учитывающий j-ый фактор;

- общее число учитываемых эксплуатационных факторов.

В качестве поправочных коэффициентов будем использовать коэффициент, учитывающий влияние температуры и электрической нагрузки 12, и коэффициент, учитывающий влияние влажности и механических воздействий - 34.

На втором этапе вычисляют значение суммарной интенсивности отказов по формуле:

где - суммарная интенсивность отказов;

- число однотипных элементов конструкции.

При равенстве значений интенсивностей отказов однотипных элементов рекомендуется объединять их в группы. Тогда формула 8.17 примет вид:

где - соответственно интенсивность отказа и число элементов в h-ой группе;

- общее число групп.

Далее по общепринятым формулам определяем значения наработки на отказ и вероятности безотказной работы :

Если расчетное значение показателей надежности не отвечает требованиям технического задания, то необходимо принять меры по повышению надежности. Например, можно заменить наиболее ненадежные пассивные элементы на другие типы, а после этого снова повторить расчет.

Расчет производился на ЭВМ при помощи программы, написанной на кафедре РЭС - "SNAD.EXE". Исходные данные для этой программы приведены в таблице 8.4.

Таблица 8.4. Исходные данные для расчета полной надежности

Примечания: * - на один контакт при номинальном электрическом режиме и числе коммутационных циклов, указанных в ТУ;

Результаты вычислений представлены в таблице 8.5.

Таблица 8.5. Результаты расчета полной надежности

Таким образом, полученные данные удовлетворяют требованиям ТЗ по надежности, так как при заданном времени непрерывной работы t=1000 ч проектируемый блок будет работать с вероятностью . При этом он будет иметь среднюю наработку на отказ То=33276ч и вероятность восстановления, следовательно, дополнительных мер по повышению надежности не требуется.

9. Обоснование выбора средств автоматизированного проектирования

9.1 Применение САПР в процессе проектирования изделия

Проектирование РЭС и создание оптимального технического решения в сжатые сроки связано с трудностями, основными из которых является:

– невозможность учёта человеком огромного количества разнообразных факторов, влияющих на техническое решение;

– большая стоимость и трудоёмкость изготовления макета изделия, особенно при интегральной технологии;

– сложность имитации условий, в которых должна работать современная РЭС.

Один из путей преодоления этих трудностей без существенного увеличения численности работающих - использование возможностей современных ЭВМ.

При проектировании только незначительную часть общего объёма работ (10...20)% выполняется инженерами высокой квалификации. Опыт и высокая эрудиция инженера играют основную роль при разработки технического задания на проектирование и при выборе принципов конструирования и элементной базы. Но основной объём работ по конструкторскому проектированию состоит из таких этапов как компоновка, размещение модулей, трассировка монтажных соединений и выпуск технической документации. Эти этапы трудоёмки, так как связаны с просмотром большого количества вариантов решении, но не требуют высокой квалификации.