РГЗ Алдонин


Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт инженерной физики и радиоэлектроники
Кафедра «Приборостроение и наноэлектоника»
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
По предмету «Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств»
РАЗРАБОТКА СХЕМЫ, ПЕРЕЧНЯ, ПЛАТЫ, ОБЩЕГО ВИДА УСТРОЙСТВА.
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ, ВЫБОР СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ, НАДЕЖНОСТИ, ХАРАКТЕРИСТИК ВОССТАНАВЛИВАЕМОСТИ АППАРАТУРЫ
Преподаватель ________ Г.М. Алдонин
подпись, дата
Студент РФ12-34С 051201472 _________ М.Г. Поляк
подпись, дата
Красноярск 2015
СОДЕРЖАНИЕ
1 Конструкторский анализ электрической схемы РЭС 3
2 Электромагнитная совместимость 4
3 Выбор системы охлаждения 7
4 Расчет надежности 9
5 Литература 12
6 Приложение А – Схема электрическая принципиальная 13
7 Приложение Б – Перечень элементов 14
8 Приложение В – Печатная плата 15
9 Приложение Г – Общий вид устройства 16
Конструкторский анализ электрической схемы РЭС
Проектируемое устройство представляет собой двухканальный усилитель низких частот на одной микросхеме, предназначенный для усиления сигнала для наушников и микрофона.
При конструировании любого устройства необходимо, прежде всего, учитывать три фактора: электромагнитную совместимость, тепловой режим и устойчивость к механическим воздействиям.
Поскольку данная схема является усилителем, необходимо минимизировать конструктивную паразитную положительную обратную связь, также необходимо проверить печатную плату на паразитные частоты. Предварительно предположим, что поскольку схема работает на очень низкой частоте до 20 КГц, поэтому паразитные резонансные частоты, возникающие за счет паразитных емкостей схемы, не будут оказывать существенное влияние на работу схемы. Таким образом, мы гарантируем стабильность работы устройства и отсутствие на выходе усилителя помех.
В качестве источника тепла можно выделить усилительную микросхему DА1, ее предел допустимых значений температуры составляет -55…+125 °С. Таким образом, мы не должны допускать ее перегрева. В виду того, что данное устройство работает с малыми токами, предварительно предположим, что достаточно будет естественного воздушного охлаждения.
Поскольку данная схема питается от трех батарей типа «Крона», которые достаточно массивны, их необходимо будет расположить в специальном отсеке, а не непосредственно на самой печатной плате, с целью обеспечения максимальной механической устойчивости.
Также при конструировании любого устройства, необходимым считается расчет его надежности, с целью обеспечения требуемого по техническому заданию (ТЗ) времени наработки на отказ. На основе данного расчета делается вывод о необходимости или ненадобности проведения технического обслуживания (ТО) и необходимости или ненадобности применения более надежных элементов и особенностей технологии производства.
Кроме того, необходимо максимально упростить работу человека с проектируемым устройством, т.е. соответствовать эргономическим требованиям. Для чего необходимо будет вынести на лицевую панель устройства: входной провод с входным штекером XP1, выходной разъем XS2, индикаторная лампа включения LA1, и тумблер питания SA1. Разъем для подключения элементов питания XS1 расположим на задней стороне устройства.
Электромагнитная совместимость
Согласно учебному пособию Г.М. Алдонина, А.М. Алешечина, М.М. Валиханова, С.П. Желудько, О.А. Тронина [1, стр23], для расчета электромагнитной совместимости усилительных схем, необходимо учесть паразитную емкость между входом и выходом, создающую положительную обратную связь, ведущую к самовозбуждению.

Емкость между входным и выходным выводом усилительной микросхемы, составляет:

Таким образом, в схеме отсутствует возможность возникновения самовозбуждения. Иначе необходимо было бы применять другой материал платы с меньшей диалектической проницаемостью.

Ввиду низкой рабочей частоты, согласно учебному пособию [1, стр26], поверхность корпуса можно считать эквипотенциальной поверхностью, не создающей паразитной кондуктивной связи. Поскольку земленная шина не выполнена в виде замкнутого контура, ЭДС в ней почти не наводится. С целью уменьшения кондуктивной помехи, необходимо использовать экранированный акустический кабель, идущий от аудио штекера на печатную плату.
Рассчитаем для критических участков проводников печатной платы паразитные резонансные частоты, возникающие из-за наличия распределенных емкостей. Рассмотрим несколько вариантов:
1. Толщина печатной платы:hПЛ = 1,5 мм;
толщина проводника:hПР = 35 мкм;
ширина проводника:w = 0,63 мм;
эффективная диэлектрическая проницаемость платы:εЭФ = 5;
длина рассматриваемого проводника: l = 9.76+6.98+4.68=21.42 мм;

Тогда индуктивность проводника будет рассчитана как:
,
;
Тогда L равна:

Емкость проводника:
,
где С0 – удельная емкость линии (пФ/см), расположенной в вакууме.
С0 = 0,31 пФ/см.
.
Исходя из полученных данных резонансная частота:

2. Толщина печатной платы:hПЛ = 1,5 мм;
толщина проводника:hПР = 35 мкм;
ширина проводника:w = 0,63 мм;
эффективная диэлектрическая проницаемость платы:εЭФ = 5;
длина рассматриваемого проводника: l = 9.6+6.91+3.73=20.24 мм;

Тогда индуктивность проводника будет рассчитана как:
,
.

Емкость проводника:
,
где С0 – удельная емкость линии (пФ/см), расположенной в вакууме.
С0 = 0,31 пФ/см.
.
Исходя из полученных данных резонансная частота:

Так как устройство работает на частотах до 20 кГц, то рассчитанные резонансные частоты f = 774 МГц и f = 1.3 ГГц, не повлияют на работу схемы.
Выбор системы охлаждения
Произведем выбор способа охлаждения для разработанной конструкции в соответствии с ОСТ4Г0.070.003.
Исходные данные:
а) максимальная мощность рассеиваемая микросхемой DA1 Q=0,5 Вт;
б) допустимая температура нагретой зоны tдоп=125° С;
в) диапазон изменения температуры окружающей среды: 55о С.
Определяем расчетную поверхность нагретой зоны S, м2:
для блока с воздушным охлаждением,
S= 2 [L1L2+(L1+L2) L3К3],
где L1, L2 – горизонтальные размеры кожуха;
L3 – высота кожуха блока;
К3 – коэффициент заполнения (0,2 – 0,3).
S=2·[50·90+(50+90)·50·0,25]=0,013 м2.
Удельная мощность нагретой зоны q:
Вт/м2.
lg 77=1.9
Определяем минимальную величину допустимого перегрева нагретой зоны Δtдоп, °С:
Δtдоп = 125-55=70° С
Выбор способа охлаждения осуществляем при помощи рис. 3.1, с использованием значений q и Δtдоп. Нижняя часть рисунка относится к блокам, верхняя к индивидуальным элементам.

Рис. 3.1
По таблице 3.1 выберем систему охлаждения, согласно прямой 1.
Таб. 3.1
Зона Система охлаждения
1. Воздушное естественное
2. Естественно-принудительное воздушное
3. Принудительное воздушное
4. Смешанное воздушно-жидкостное
5. Жидкостное
6. Жидкостно-испарительное без прокачки
7. Жидкостно-испарительное с интенсивной прокачкой
8. Жидкостно-испарительное с интенсивной прокачкой
9. Испарение с прокачкой
Итог: для данной конструкции следует использовать естественное воздушное охлаждение.
Расчет надежности
Произведем расчет надежности на основании конструктивных особенностей компонентов входящих в РЭС, их числа и уровня надежности.
В ходе опытно-конструкторской разработки необходимо определить характеристики надежности:
- вероятности безотказной работы системы;
- интенсивности отказов системы;
- средней наработки на отказ системы.
Интенсивности отказов РЭА при основном соединении ЭРЭ производится путем суммирования интенсивностей отказов всех ЭРЭ, входящих в РЭА:
,
где - количество однотипных ЭРЭ;
- соответствующие им интенсивности отказов.
Вероятность безотказной работы для аппаратуры определяется на основании следующего закона:

Среднее время безотказной работы модуля:

Интенсивность отказов каждого компонента с учетом поправок:

где - интенсивность отказов ЭРЭ;
a1 – эксплуатационный коэффициент отказов, учитывающий влияние электрической нагрузки и рабочей температуры;
а2,а3,а4 – коэффициенты, учитывающие влияние номиналов, конструктивных особенностей и возможности ухода параметров ЭРЭ;
а5 - коэффициент, учитывающий критичность ЭРЭ данного вида к действию механических нагрузок. Уровень механических нагрузок, действующих на РЭА, определяется техническими условиями;
a6 – коэффициент, учитывающий соотношение между отказами типа «обрыв» и «КЗ».
Коэффициенты а1 и a5 являются обязательными при расчётах реальных значений опасностей отказов. Коэффициенты а2, а3, а4 и а6 рассчитываются только для специальных схем.
Значение коэффициента a1 выбирается на основании специальной таблицы для соответствующего коэффициента электрической нагрузки и температуры окружающей среды 40°С. [1, стр. 88-97]
Коэффициент a5 берется из таблиц для конденсаторов и резисторов
Расчет надежности
Таб. 4.1.
№ пп Обозначение ЭРЭ Эффективное значение параметра Коэфф. нагрузки, Кн Кол – во ЭРЭ Ni Эксплуатац. коэфф. отказа а1 Интенсивность отказа х10-6 1/час Коэфф. а5 Ni λi а5
λ0i λi Ni λi 1 С1,С2,
С9,С10 16В 0,001 4 0,25 0,01 0,0025 0,01 1,5 0,015
2 С3,С4 16В 0,864 2 0,89 0,01 0,0089 0,0178 1,5 0,0267
3 С5,С7 60В 0,001 2 0,25 0,01 0,0025 0,005 1,5 0,0075
4 С6,С8 25В 0,001 2 0,25 0,01 0,0025 0,005 1,5 0,0075
5 DА1 200нА 0,300 1 1 0,01 0,01 0,01 1 0,03
6 R1,R2 125мВт 0,016 2 0,25 0,04 0,01 0,02 1,5 0,03
7 R3,R4,
R5,R6 125мВт 0,016 4 0,25 0,04 0,01 0,04 1,5 0,06
8 R7,R8 125мВт 0,001 2 0,25 0,04 0,01 0,02 1,5 0,03
9 R9,R11 125мВт 0,001 2 0,25 0,04 0,01 0,02 1,5 0,03
10 R10,R12 125мВт 0,001 2 0,25 0,04 0,01 0,02 1,5 0,03
11 R13,R14 125мВт 0,036 2 0,25 0,04 0,01 0,02 1,5 0,03
Суммарная эффективность отказов, равна сумме интенсивности отказов отдельных компонентов:
.
Среднее время безотказной работы:
.
Вероятность безотказной работы:
,
.
Составляем таблицу зависимости модуля вероятности работы от времени. При >(0,2 – 0,3) Тcр данные табл. 4.2 вычисляются по вышеприведенной формуле.
Таблица 4.2
tбр, ч 100 200 500 1 000 10 000 20 000 26 970
Р(tбр) 0.999 969 0,999 941 0,999 850 0,999 699 0,996 699 0,994 010 0.991 940
На основании данных табл. 4.2 построим график зависимости вероятности безотказной работы модуля от времени:

Следовательно, время безотказной работы устройства с вероятностью 0,992 составляет около 26 700 часов.
Литература
«ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ РАДИО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ». Лабораторный практикум. Учеб. пособие / Г. М. Алдонин, А.М. Алешечкин, М.М. Валиханов, С.П. Желудько, О.А. Тронин – ИПЦ СФУ, 2011. – 75 с.
-1115060183515000Приложение А – Схема электрическая принципиальная
Приложение Б – Перечень элементов

center385699000Приложение В – Печатная плата
Приложение Г – Общий вид устройства

Приложенные файлы

  • docx 15541063
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 19

Добавить комментарий