Разработка конструкции блока ИК-управления, который предназначен для управления десятью установленными в нем электромагнитными реле
Введение
технологичность электромагнитный управление
Целью выполнения настоящего курсового проекта является
разработка конструкции блока ИК-управления, который предназначен для управления
десятью установленными в нем электромагнитными реле, которые, в свою очередь,
могут включать и выключать различные электроприборы. Блок крепится к стене на
открытом месте, так как осуществление управлением работой блока осуществляется
с помощью ИК-команд, подаваемых с пульта дистанционного управления.
В курсовом проекте рассматриваются следующие вопросы: выбор
метода конструирования, компоновка блока, выбор способа охлаждения, выбор
конструкционных материалов; а так же производятся следующие расчеты:
массогабаритный расчет блока, расчет вибропрочности блока.
В графической части КП приведены:
схема электрическая принципиальная АПИД.408885.125Э3;
чертёж печатной платы АПИЗ.758765.125;
сборочный чертеж модуля АПИД.301411.125СБ;
структурная схема блока АПИД.408885.125Э1.
сборочный чертеж блока АПИД.408885.125CБ.
В качестве исходных данных выдается готовая схема
электрическая принципиальная, ее описание с указанием номиналов пассивных
элементов и типами активных.
1. Техническое задание на разработку конструкции
блока ИК-управления
1.1 Наименование, назначение и область применения
изделия
Наименование: «Блок ИК-управления».
Обозначение - БИУ (далее в тексте также изделие, блок).
Изделие предназначено для управления включением десяти
различных электроприборов.
1.2 Основание и исходные данные для выполнения
проекта
Задание на выполнение проекта, в которое входят основные
требования к изделию, выдано на кафедре КиТ РЭС АПИ НГТУ.
1.3 Цели и задачи проекта
Основная цель проекта заключается в разработке конструкции
изделия БИУ для серийного производства.
Основными задачами разработки являются:
- разработка модуля управления;
разработка конструкции блока БИУ.
1.4 Источники разработки
Основным источником является разработка Ю. Святова, «Блок ИК
управления реле» (журнал «Радио» №7 - 2013 г.).
1.5 Технические требования
Состав изделия
Состав изделия: блок БИУ, комплект жгутов.
Показатели назначения
Выполняемые функции: управление десятью электромагнитными
реле, которые, в свою очередь, могут включать и выключать различные
электроприборы.
Основные параметры:
- потребляемая мощность блока не превышает 4Вт;
- режим работы блока: непрерывный, долговременный;
- время готовности к работе после включения питания не более 1
с.
Требования к электропитанию
Питание БИУ осуществляется от источника питания напряжением
16В.
Требования к конструкции
Конструкция блока - стационарного типа.
Требования к блоку и составным частям:
- габаритные размеры корпуса блока БИУ не более 130х120х45
мм;
- БИУ следует выполнить в пластмассовом корпусе;
Индикаторы следует расположить на лицевой поверхности;
- масса блока не более 0,4 кг;
- включение блока производится после подачи питания;
- изделие по защищенности от проникновения пыли и воды должно
иметь исполнение корпуса соответствующего нормативам IP54 по ГОСТ 14254-96;
- изделие должно быть вибропрочным в соответствии с
требованиями группы V5 по ГОСТ 12997-84;
- плату модуля следует защитить от климатических воздействий.
Условия эксплуатации
Климатические условия эксплуатации блока
Изделие при эксплуатации должно быть стойким к внешним
климатическим факторам в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1 - Климатические условия эксплуатации блока
|
Климатический
фактор (КФ)
|
Характеристика
КФ
|
Предельное
значение КФ
|
Примечание
|
|
Атмосферное
пониженное давление давление
|
Рабочее миним.,
мм рт. ст.
|
650
|
устойчивость
|
|
Повышенная температура
среды
|
Рабочая,°С
Предельная,°С
|
+50 +60
|
устойчивость
стойкость
|
|
Пониженная
температура среды
|
Рабочая,°С
Предельная,°С
|
Минус 10 Минус
50
|
устойчивость
стойкость
|
|
Относительная
влажность при температуре окруж. среды не выше +25°С
|
Рабочая, %
Предельная, %
|
80 98
|
устойчивость
стойкость
|
Воздействие механических нагрузок
Допустимое воздействие механических нагрузок:
- вибрации в диапазоне частот (1…80) Гц при максимальном
ускорении 3g.
Требования к безопасности
Устройство должно обеспечивать безопасную работу
пользователей, не требуя проведения инструктажей и специальных подготовок по
технике безопасности, при любых, в том числе ошибочных действиях пользователя,
не связанных со вскрытием корпуса устройства.
1.6 Хранение и транспортирование
Изделие должно соответствовать требованиям п. 1.5.2 и быть
прочным после воздействия нагрузок при транспортировании в упакованном виде.
Транспортирование железнодорожным, водным, воздушным и автомобильным
транспортом допускается без ограничения скорости и расстояния при размещении
блока в упаковке в кузове транспортного средства способом, исключающем
перемещение упаковки.
Хранение изделия в упаковке следует производить при
температуре окружающего воздуха от плюс 5º С до плюс 40º С и относительной влажностью до 80% при плюс 25º С.
1.7 Требования по технологичности
Изделие должно разрабатываться с учетом серийного
производства, изготавливаться с максимальным использованием унифицированного
оборудования и по прогрессивным технологиям.
1.8 Требования охраны окружающей среды
Изделие при испытаниях, транспортировании, хранении и
эксплуатации не должно наносить вреда окружающей среде, здоровью и
генетическому фонду человека.
2. Анализ технического задания
Для блока в ТЗ задан непрерывный,
долговременный режим работы (п. п. 1.5.2 Технического задания), следовательно,
тепловые режимы его деталей и узлов необходимо рассчитывать для рабочих
условий, при этом за температуру окружающей среды следует принимать повышенную
рабочую температуру +500 С (таблица 1).
Время готовности к работе блока после включения питания не
более 1 секунды (п. п. 1.5.2 Технического задания). Наличие этого периода
работы обусловлено необходимостью завершения всех переходных процессов в схеме,
прогрева ЭРЭ и выхода их на рабочий режим. Так как в схеме использованы ЭРЭ с
высокими показателями к времени готовности, поэтому применять какие-либо меры
по повышению времени готовности нет необходимости.
С целью обеспечения ремонтопригодности
изделия, учитывая условия применения, целесообразно выбрать разъемный вариант
конструкции блока.
Для обеспечения необходимого уровня
влагозащиты достаточно использовать корпусированную элементную базу.
Для удовлетворения требованию ТЗ по массе при разработке
блока необходимо придерживаться следующего:
при выборе элементной базы предпочтение отдавать той, что
имеет меньшую массу при сравнимых функциональных и эксплуатационных параметрах
и не худшей надёжности;
из материалов необходимо выбирать те, что при малой плотности
имеют достаточно высокую механическую прочность.
Материалы конструкции блока, кроме указанных выше параметров,
также должны быть доступными, легкообрабатываемыми и недорогостоящими, исходя
из этого, элементы конструкции блока выполним из пластмассы.
Согласно условиям эксплуатации блок должен сохранять
работоспособность в широком диапазоне температур (от -10 до + 50 ºС). Это должно учитываться при выборе элементной базы, кроме того,
необходимо обеспечить нормальный тепловой режим блока путём рационального
размещения источников тепла.
Кроме того, важнейшим фактором в настоящее время являются
стоимость материалов и радиоэлементов и их распространённость в производстве.
Поэтому при разработке блока, по возможности, следует избегать дорогих и редко
применяемых в производстве материалов.
Для защиты элементов блока от внешних воздействий
целесообразно использовать покрытие функциональных ячеек лаком. Лаком следует
покрыть и некоторые конструктивные элементы блока, подверженные коррозии. Такое
решение проблемы защиты блока от внешних воздействий оказывает лучшее влияние на
материальные показатели, по сравнению с герметизацией всего блока.
3. Конструкторский анализ схемы электрической
принципиальной
.1
Обоснование структурной схемы блока ИК-управления
Выбор структурной схемы определяется функциями, которые
должен выполнять блок согласно заданию на курсовое проектирование.
Изделие предназначено для управления включением и выключением
десяти различных электроприборов.
Структурная схема блока ИК-управления
содержит следующие функциональные узлы (ФУ):
набор электронных ключей,
набор реле,
ИК-приемник,
Микроконтроллер,
Внутренний источник питания.
Питание блока осуществляется от напряжения (15…17) В. Сигнал
на устройство подается с помощью пульта дистанционного управления. Сигнал,
полученный ИК-приемником, передается на порт микроконтроллера, с выходов
которого сигналы управления поступают на электронные ключи, которые
непосредственно управляют работой исполнительных реле, которые коммутируют
включение или выключение электроприбора.
Разработанная структурная схема представлена в графической
части курсового проекта.
3.2
Принцип работы блока ИК-управления
Электрическая схема блока ИК-управления приведена в
графической части курсового проекта.
Микроконтроллер (DD1) по загруженной в него программе
управляет всеми периферийными устройствами. Тактовый генератор микроконтроллера
стабилизирован кварцевым резонатором ZQ1. Посылаемые с помощью ПДУ команды
принимает модуль ИК приёмника U1, сигналы которого поступают на вход PD3
микроконтроллера DD1. Напряжение питания микроконтроллера (5 В) получено из
выпрямленного диодным мостом VD1 напряжения около 24В с помощью интегрального
стабилизатора DA1. Заменять здесь импортный стабилизатор 7805 отечественными
КР142ЕН5А или КР142ЕН5В нельзя, поскольку допустимое входное напряжение у них
всего 15 В (в отличие от 35 В у 7805).
Микросхемы DD2 и DD3 - наборы электронных ключей на составных
транзисторах (максимальный коммутируемый ток 130 мА, напряжение - 50 В). Реле
К1-К10 применены типа G2L-113P-V-US-24VDC (сопротивление обмотки 1200 0 м),
контакты которых способны коммутировать ток до 5 А при переменном напряжении до
250 В.
Поскольку в блоке установлены десять реле, то для управления
ими выбраны цифровые кнопки ПДУ «0» - «9». При нажатии на такую кнопку
соответствующее ей реле замыкает свои контакты, при повторном нажатии размыкает
их, при ещё одном - вновь замыкает и так далее. Если нажать на кнопку «VOL -»,
контакты всех реле разомкнутся, а на «EQ» - замкнутся. Для контроля состояния
реле предусмотрены светодиоды. Когда все реле сработали, от источника
переменного напряжения 15…17 В (или постоянного 24 В) блок потребляет ток
200…250 мА.
3.3
Проверка элементной базы по условиям эксплуатации
Анализ элементной базы изделия проводят для определения
соответствия радиоэлементов требованиям условий эксплуатации и заданным
характеристикам конструируемого изделия. Для этого составим таблицу 3.1
допустимых значений эксплуатационных характеристик радиоэлементов.
Таблица 3.1 - Параметры компонентов, входящих в состав модуля
|
Название
элемента
|
Рабочий
диапазон температур, ᵒС
|
Механические
воздействия
|
Влажность
(t=+25ᵒC), %
|
|
Мин.
|
Макс.
|
Вибрации, Гц
|
Лин.ускор., g,
м/с2
|
|
|
Конденсатор
К10-17б
|
-60
|
+85
|
1-5000
|
25
|
98
|
|
Конденсатор
К50-35
|
-40
|
+85
|
1-5000
|
25
|
98
|
|
Микросхемы
|
-40
|
+85
|
1-500
|
25
|
98
|
|
Приемник
TSOP1738
|
-25
|
+85
|
1-500
|
25
|
98
|
|
Диод
|
-40
|
+150
|
1-5000
|
25
|
98
|
|
Резонатор
|
-40
|
+85
|
1-5000
|
25
|
98
|
|
Резисторы
|
-60
|
+155
|
1-5000
|
25
|
98
|
Анализируя данные, приведенные в таблице 3.1 видно, что вся
выбранная элементная база по всем параметрам соответствует заданным условиям
эксплуатации изделия. Для выполнения требований ТЗ по допустимой влажности и
предельным рабочим температурам следует применить лакирование модуля.
3.4
Разукрупнение схемы электрической принципиальной
Разукрупнение схемы (блока) представляет собой процесс
разбиения схемы (блока) на конструктивные уровни, каждому из которых
соответствует конструктивно законченная единица. Количество уровней КТЕ
определяется функциональной сложностью проектируемого изделия. Далее
рассматриваются компоненты, элементы схемы для лучшего варианта конструкции по
массогабаритным характеристикам, функциональной законченности КТЕ, увеличению
технологических и экономических сложностей КТЕ, тепловой и электромагнитной
совместимости КТЕ, а так же минимизации числа внешних соединений, увеличение степени
унификации и типизации конструкции КТЕ.
В результате разукрупнения получается одна конструктивно
законченные единица - модуль управления. Дальнейшее разукрупнение схемы на
большее количество и на более простые КТЕ приводит к увеличению массогабаритных
показателей блока, что в свою очередь, приведет к снижению надежности и к
увеличению стоимости блока.
4. Разработка конструкции блока управления
4.1
Выбор метода конструирования
В качестве метода конструирования блока ИК-управления
принимается метод моноконструкций, который основан на минимизации числа связей
в конструкции, он применяется для создания ФУ, блоков на основе оригинальной
несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами.
4.2 Выбор компоновочной схемы блока
Определение габаритных размеров печатного узла
Электрорадиоэлементы модуля управления должны размещаться на
одной печатной плате (ПП). Этот вариант позволяет увеличить технологичность
конструкции и приводит к экономии материалов, что в итоге уменьшает себестоимость.
Все компоненты на плату установлены с одной стороны.
Выбираем типоразмер платы, для этого определяется ее
необходимая площадь по формуле:
(4.1)
где Sуст.i - установочная площадь i-го
компонента схемы, мм2;
qs = 1,5…4 - коэффициент дезинтеграции по
площади.
Данные по установочной площади, установочной высоте и массе
каждого РЭ заносим в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 - Конструктивные параметры ЭРЭ
|
|
Массогабаритные
параметры
|
|
Наименование
ЭРЭ
|
Кол-во n, шт.
|
Габариты и
толщина вывода, мм
|
Установочная
высота, мм
|
mi,
г
|
Σ mi, г
|
Si,
мм2
|
Σ Si, мм2
|
|
Конденсатор
К10-17б-Н50
|
1
|
7,5х5х4,5 0,6
|
8
|
0,5
|
0,5
|
33,75
|
33,75
|
|
Конденсатор
К10-17б-М47
|
2
|
5,6х5,6х4 0,6
|
6
|
0,4
|
0,8
|
22,4
|
44,8
|
|
Конденсатор
К50-35-16В
|
2
|
Ø5х11
0,5
|
12
|
1,2
|
2,4
|
20
|
20
|
|
Конденсатор
К50-35-16В
|
1
|
Ø6,3х11
0,5
|
12
|
1,3
|
1,3
|
31
|
20
|
|
Конденсатор
К50-35-35В
|
2
|
Ø12,5х20
0,6
|
21
|
4,5
|
9
|
123
|
246
|
|
Микросхема
ATtiny2313
|
1
|
25х7,5х5 d=0,56
|
6
|
2,5
|
2,5
|
187,5
|
187,5
|
|
Микросхема
ULN2803A
|
2
|
22,5х7,5х5
d=0,56
|
6
|
2,2
|
4,4
|
168,75
|
337,5
|
|
Микросхема 7805
|
1
|
10х4х14
0,64х0,2
|
18
|
1,2
|
1,2
|
40
|
40
|
|
ИК-приемник
TSOP1738
|
1
|
10х5,8х12,5
d=0,5
|
10
|
2
|
2
|
72,5
|
72,5
|
|
Предохранитель
|
1
|
Д3х7 d=0,6
|
4
|
0,3
|
0,3
|
30
|
30
|
|
Светодиод L2506
|
11
|
2х5х0,5 0,5
|
-
|
0,3
|
3,3
|
-
|
-
|
|
Светодиод
АЛ307БМ
|
1
|
D=5 0,5
|
-
|
0,4
|
0,4
|
-
|
-
|
|
Реле G2L-113P-V
|
10
|
12,5х30х25 1,5
|
25
|
15
|
150
|
375
|
375
|
|
Резистор С2-33Н
- 0,125
|
15
|
6х2,2 0,6
|
3,5
|
0,15
|
2,25
|
22
|
330
|
|
Диод D4SB60L
|
1
|
25х4,6х15 d=1
|
15
|
3,8
|
3,8
|
115
|
115
|
|
Резонатор
РПК01-НС
|
1
|
11,5х5,3х13,5
0,5
|
13,5
|
0,7
|
0,7
|
60
|
60
|
|
Колодка WF-2R
|
1
|
10х6
|
8
|
2
|
2
|
60
|
60
|
|
Колодка WF-12R
|
1
|
65х6
|
8
|
14
|
14
|
390
|
390
|
|
|
|
|
|
200
|
|
2365
|
Согласно данным таблицы 4.1 установочная площадь компонентов
на плате равна:уст.i S=2365 мм2.
Необходимая площадь ПП при qs=2
определяется по формуле 4.1:ПП=2∙2365=4730 мм2.
Линейные размеры печатных плат оговорены в ГОСТ 10317-79.
Согласно ГОСТу следует выбрать плату с размерами не менее 120х110 мм, которая
удовлетворяет требованиям по необходимой площади. При разработке конструкции ФЯ
были выбраны способы установки компонентов на печатную плату, которые
приводятся на сборочном чертеже АПИД.301411.125СБ.
Выполнение компоновочного эскиза блока
Под компоновочной схемой блока следует понимать взаимную
ориентацию функциональных ячеек (ФЯ) и других конструкторских зон
(электрической коммутации, элементов лицевой и задней панелей, механических
элементов, системы охлаждения) в заданном объеме блока с учетом условий
эксплуатации.
Выбор компоновочной схемы осуществляется по следующим
факторам: вид РЭС, условия эксплуатации, требования к ремонтопригодности, вид
используемой элементной базы, способ выполнения электрических соединений и
другие.
Различают две основные компоновочные схемы блоков: разъёмную
и неразъёмную. Блоки разъёмного типа характеризуются высокой
ремонтопригодностью на объекте установки (замена неисправной ФЯ), возможностью
функционального контроля без демонтажа. Однако наличие разъёмных соединений
увеличивает габариты и массу конструкции. Поэтому, учитывая назначение блока,
выбираем разъёмную компоновку.
Для обеспечения высокой стойкости к механическим воздействиям
конструкция блока должна иметь достаточную жесткость. Лучше всего использовать
корпус и крышку толщиной 2 мм. Применение достаточно толстого основания
приведет к увеличению габаритов и массы блока. Применение листового металла в
конструкции недопустимо, так как форма основания является сложной. Корпус
изготавливают литьем, это позволит обеспечить достаточную жесткость
конструкции, и одновременно будет получена компактная конструкция с
минимальными потерями на воздушные зазоры. Основным несущим элементом конструкции
блока будет корпус.
По требованию ТЗ на задней стенке корпуса имеются два
отверстия для соединения блока управления с внешними электрическими приборами.
Зная ориентировочные размеры печатной платы модуля управления
(120х110х25 мм) определяем габаритные размеры блока. Модуль управления следует
установить горизонтально на дне на бобышки в корпусе.
Модуль управления устанавливается на бобышки высотой 
. Толщина стенок корпуса и крышки 
.
Находим высоту блока, приняв во внимание, что толщина плат 
, толщина стенок корпуса , расстоянию от ячейки до крышки 
, а высота ЭРИ на модуле равна 
.
, (4.2)
Ширина и длина блока равна ширине и длине функциональной ячейки
модуля 
и 
плюс толщина боковых стенок корпуса 
=2 мм. Зазор до корпуса примем минимальным
3 мм с каждой стороны. Толщина стоек для
крепления крышки к корпусу 
.
, (4.3)
, (4.4)
.
Рисунок 4.1 - Компоновка блока
Далее следует оценить полученный объем блока. Он будет иметь
величину 
Полученное значение объема блока, равно как и габаритные размеры
не превышают заданные в ТЗ величины.
4.3 Выбор способа охлаждения блока
Массогабаритные характеристики блока во многом зависят от
способа его охлаждения, который в свою очередь должен обеспечить нормальный
тепловой режим конструкции.
Выбор системы охлаждения необходимо производить по методике,
изложенной в [1]. При выборе системы охлаждения используются следующие исходные
данные:
- мощность, потребляемая блоком от источника питания Р = 4
Вт;
максимальное значение температуры окружающей среды tс.макс.=
+ 50° С;
допустимая рабочая температура наименее теплостойкого
элементаэл. мin. = + 70° С;
минимальное давление окружающей среды Hc. min = 630 мм. рт.
ст.;
- нормальное атмосферное давление H = 760 мм. рт. ст.;
длина корпуса A = 140 мм;
ширина корпуса B = 120 мм;
- высота корпуса H = 40 мм;
Тепловой поток рассеивания блока определяется следующим
образом:
, (4.5)
где η - коэффициент
полезного действия, равный 0,3
Вт
Площадь поверхности теплообмена (корпуса блока) находится:
(4.6)
.
Поправочный коэффициент на давление окружающей среды определяется:
, (4.7)
где HCmin - минимальное давление окружающей среды, [мм.
рт. ст.];- нормальное атмосферное давление, равное 760 [мм. рт. ст.].
Рассчитается поверхностную плотность теплового потока:
, (4.8)
lg Pos = 1,76 Вт/м2.
Допустимый перегрев конструкции рассчитывается:
, (4.9)
где tЭЛmin - допустимая рабочая температура наименее
теплостойкого элемента, [0 C];Cmax - максимальная
температура окружающей среды, [0 C].
Значения
lgPos и Dt доп. представляют собой координаты
точки, положение которой на диаграмме [1] соответствует естественному
воздушному охлаждению.
4.4
Выбор конструкционных материалов
Выбор материалов для изготовления корпуса
Разрабатываемый блок обеспечивает работу при температуре окружающей
среды от минус 10 до плюс 50º C, относительной влажности
воздуха до 80% и температуре окружающей среды 25 ºС, пониженном атмосферном
давлении до 2,0кПа (до 15 мм рт. ст.), вибрационных нагрузках в диапазоне
частот от 1 до 80Гц с ускорением до 3 g, поэтому следует изготовить детали
корпуса из пластика.
Спроектированный корпус блока представляет собой основание.
Данное основание возможно изготовить методом литья под давлением. Эта
разновидность литья обеспечивает наибольшую точность размеров, высокую
плотность отливки, минимальное количество отходов, а так же не высокую
шероховатость поверхности.
Корпус можно отливать из легкого алюминиевого сплава, либо из
полимерного материала. Корпус, выполненный из легкого алюминиевого сплава, по
сравнению с полимерным аналогом, обладает следующими преимуществами:
высокая прочность;
высокая теплопроводность;
высокие экранирующие свойства.
К недостаткам корпуса из легких алюминиевых сплавов можно
отнести достаточно высокую температуру плавления сплава, что в свою очередь
приводит к высокой энергоемкости производства, а в итоге к высоким затратам на
энергоресурсы. К недостаткам, так же можно отнести и более высокую удельную
массу алюминиевого сплава по сравнению с полимером, а так же необходимость
покрытия корпуса эмалью с целью придания привлекательного внешнего вида
изделия.
Принимая во внимание вышеизложенные сравнительные
характеристики материалов, а так же учитывая назначение и условия применения
изделия, оговоренные в техническом задании, для изготовления основания блока,
следует выбрать полимерный материал марки АБС-2020-30 первого сорта
ТУ2214-019-00203521-96. Этот материал (акрилонитрилбутадиенстирол),
светло-серого цвета обладает высокой ударной прочностью, повышенными
деформационными свойствами и теплостойкостью и в оптимальной мере удовлетворяет
требованиям технического задания по прочности, термостабильности, коррозионной
стойкости, удельной массе и привлекательному внешнему виду.
Для изготовления крышки так же следует использовать
полимерный материал АБС-2020-30.
Выбор материала печатной платы
ПП - это элемент конструкции, который состоит из плоских
проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на
диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической
цепи. При выборе материала для изготовления печатной платы необходимо учитывать
то, что этот материал должен обладать достаточной механической прочностью,
теплостойкостью, малым удельным весом [5].
Для изготовления двухсторонних печатных плат (ПП) в
отечественной промышленности наиболее широко используются стеклотекстолиты
марок СФ-2, СФ-2Н, СТФ-2 и другие. При изготовлении двухсторонних печатных плат
за рубежом широко используется стеклотекстолит типа FR-4 и его аналоги. Выбор
материалов этого типа позволяет по сравнению с отечественными марками
стеклотекстолитов заметно снизить процент брака при изготовлении плат высокого
класса, так как этот материал имеет более высокую стойкость к климатическим
воздействиям и улучшенные диэлектрические параметры.
По всем ключевым параметрам FR-4 существенно превосходит СТФ,
однако производство плат из FR-4, как правило, обходится дороже, чем
производство из отечественных материалов. Производство плат из материала FR-4
оправдано будет только при крупносерийном производстве.
Рынок ПП, сложившийся у нас в стране, предопределяет выбор
материалов (отечественных или импортных) для изготовления ПП. Многое зависит от
того, что требуется - дешево или качественно. При этом следует иметь в виду,
что:
при использовании недорогих отечественных стеклотекстолитов
при ширине проводников и зазоров между ними менее 0,3 мм большой процент ПП
уйдет в брак, что естественно, увеличит стоимость ПП и приблизит к стоимости ПП
из импортных материалов;
при изготовлении ПП отечественные материалы целесообразно
применять, если нет повышенных требований к климатическим и частотным
характеристикам;
применение защитных паяльных масок увеличивает стоимость ПП
на отечественных материалах, примерно на 30…35%, а на импортных - на 5%;
если стоимость модуля первого уровня (ячейки) превышает
стоимость ПП, примерно в 10 раз, желательно использовать импортные материалы;
подготовка производства ПП на импортных материалов примерно в
2-2,5 раза дороже по сравнению с отечественными, а изготовление 1 дм2
- в 1,8-2,2 раза и зависит от объема заказа в 1 дм2 или типа
производства (опытная, мелкосерийная или массовая) и наличия - отсутствия
защитной паяльной маски.
На ПП разрабатываемого модуля требуемая ширина проводников не
менее 1,0 мм, а зазор между ними не менее 0,5 мм. Разрабатываемый блок будет
эксплуатироваться не в жестких климатических условиях. Электрорадиоэлементы в
разрабатываемом блоке применены не дорогие. Следовательно, целесообразно
выбрать отечественный материал для изготовления ПП. По всем техническим
параметрам подходит материал стеклотекстолит теплостойкий СТФ-2 ГОСТ10316-78.
При выборе материала следует учитывать технологию изготовления ПП, в данном
случае, учитывая комбинированный способ изготовления, необходима толщина фольги
порядка 35 мкм. Необходимо задаться толщиной диэлектрика 1,5 мм, значение
которой является достаточным для данного устройства.
Выбор метода изготовления печатных плат
Выбор метода изготовления должен быть осуществлен с учетом
технологических возможностей предприятия-изготовителя. Учитывая, что плата
двусторонняя и имеет металлизированные отверстия, для ее изготовления
необходимо использовать хорошо освоенный на предприятии метод - комбинированный
позитивный. Он позволяет изготовить плату третьего класса точности.
Выбор способа пайки
Так как ПП модуля радиоприемной части небольшого размера
выбираем ручную пайку для элементов, устанавливаемых в отверстия, припоем
ПОС-61 ГОСТ 21931-76 с температурой плавления +190 0С и флюсом ФКСп
ОСТ 4 ГО.033.200-82.
Определение класса точности печатной платы
Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса
технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные
параметры элементов печатной платы. В первую очередь это относится к
минимальной ширине проводников, минимальному зазору между элементами
проводящего рисунка (все это выполнено из меди) и к ряду других параметров.
ГОСТ Р 53429-2009 предусматривает семь классов точности
печатных плат, и в конструкторской документации на печатную плату должно
содержаться указание на соответствующий класс, который обусловлен уровнем
технологического оснащения производства. Поэтому выбор класса точности всегда
связан с конкретным производством. Печатные платы 3-гo класса - наиболее
распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую
плотность трассировки и монтажа, а с другой - для их производства требуется
рядовое, хотя и специализированное, оборудование.
Ввиду высокой плотности размещения ЭРЭ на плате в отдельных
местах значения основных параметров достигают третьего класса точности согласно
ГОСТ Р 53429-2009. Следовательно, плате необходимо присвоить третий класс
точности.
4.5 Расчет элементов проводящего рисунка платы
Расчет диаметров отверстий
Диаметр монтажного металлизированного отверстия должен быть
больше диаметра вывода на величину, удовлетворяющей условиям пайки и
автоматизированной сборки. Он определяется по формуле
(4.10)
где 
- максимальное значение диаметра вывода
ЭРЭ, устанавливаемого на ПП (для прямоугольного вывода за диаметр принимается
диагональ его сечения);
- разность (гарантированный зазор) между минимальным значением
диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого ЭРЭ.
Гарантированный зазор выбирают в пределах (0,1…0,4) мм при ручной
установке ЭРЭ и в пределах (0,4…0,5) мм - при автоматической установке. При
изготовлении печатного узла предусмотрена ручная сборка.
Расчет выполняется в таблице 4.3. Окончательные диаметры отверстий
получаются округлением в сторону увеличения до значений, предусмотренных ГОСТ
10317-79.
Таблица 4.3 - Расчет диаметров монтажных отверстий на плате
|
Наименование
ЭРЭ
|
Диаметр вывода,
мм
|
Расчет диаметра
монтажных отверстий по (4.3)
|
Окончательный
диаметр, мм
|
|
Конденсаторы
Светодиод Резонатор
|
0,5
|
0,5+0,15+0,15=0,8
|
0,9
|
|
Микросхема
|
0,56
|
0,56+0,1+0,1=0,76
|
0,9
|
|
Резисторы
Конденсаторы Разъемы
|
0,6
|
0,6+0,15+0,15=0,9
|
0,9
|
|
Микросхема
|
0,64*0,2
|
0,8+0,15+0,15=1,1
|
1,3
|
|
Микросхема
|
0,56
|
0,56+0,1+0,1=0,76
|
0,9
|
|
Диоды
|
1,0
|
1,0+0,15+0,15=1,3
|
1,6
|
|
Реле
|
1,5
|
1,5+0,25+0,25=2,0
|
2,2
|
Расчет минимальных расстояний на плате
Выбирается расстояние от края платы до элементов печатного
рисунка Q1. Данное расстояние должно быть не менее толщины платы,
поэтому Q1 = 1,5 мм.
Далее рассчитываются минимальные расстояния от края паза,
выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка Q2.
Данное расстояние определяется по формуле:
(4.12)
где q - толщина ореола, скола, в зависимости от толщины материала
основания и класса точности, принимается q=1 мм;- наименьшее расстояние от
ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка, принимается k = 0,3
мм;d - позиционный допуск расположения осей отверстий, Td
принимается равным 0,1 мм (в зависимости от размера платы и класса точности);D
- позиционный допуск расположения центров контактных площадок, TD
принимается равным 0,2 мм (в зависимости от размера, типа платы и класса
точности);
Δtв.о. - верхнее предельное отклонение размеров элементов
конструкции (ширины печатного проводника), принимается Δtв.о.= 0,25 мм.
Следует округлить 
Расчет ширины печатных проводников
Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника
определяется по формуле:
(4.13)
где tmin D - минимально допустимая ширина проводника в
зависимости от допустимой токовой нагрузки или допустимого падения напряжения
на проводнике;
Δtн.о. - нижнее предельное отклонение ширины печатного
проводника.
Минимально допустимую ширину проводника с учетом допустимого
падения напряжения на нем определяется по формуле:
(4.14)
где Imax - максимальный постоянный ток,
протекающий в проводниках;- максимально допустимая длина проводника;
ρi и hi -
удельное объемное сопротивление и толщина i-го слоя проводника;доп -
допускаемое падение напряжения на проводнике.
Далее выполняется расчет по формулам (4.13) и (4.14) с учетом
того, что максимально допустимое падение напряжения для схемы узла равно 10 В,
проводник имеет два слоя (медь толщиной 35 мкм и олово толщиной 15 мкм):
Полученное значение ширины проводников меньше номинального значения
для третьего класса точности, поэтому минимальную ширину проводников примем
равной 0,25 мм.
Расчет диаметра контактных площадок
Наименьшее номинальное значение диаметра контактных площадок
(ДКП):
(4.15)
где Δdв.о. - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;-
гарантийный поясок (b=0,1 мм);тр - величина подтравливания, для
односторонних и двусторонних печатных плат dтр = 0;
Δtв.о. - верхнее предельное отклонение диаметра
контактной площадки;
Δtн.о. - нижнее предельное отклонение диаметра
контактной площадки;
Расчет
выполняется в таблице 4.4. Окончательные значения ДКП получаются округлением в
сторону увеличения до десятых долей миллиметра.
Таблица 4.4 -
Расчет диаметров контактных площадок
|
Диаметр монтажного
отверстия, мм
|
Расчет ДКП по
формуле (4.15)
|
Окончательное
значение ДКП, мм
|
|
1,3
|
1,3+0+2∙0,1+0,15+0,24=1,89
|
2,0
|
|
0,9
|
0,9+0+2∙0,1+0,15+0,24=1,49
|
1,5
|
|
1,6
|
1,6+0+2∙0,1+0,15+0,24=2,19
|
2,3
|
|
2,2
|
2,2+0+2∙0,1+0,15+0,24=2,79
|
3,0
|
Расчет минимального расстояния между проводниками
Определяется расстояние между проводниками. Наименьшее
номинальное расстояние между двумя проводниками определяется по формуле:
(4.14)
где Smin D - минимально допустимое расстояние
между соседними элементами проводящего рисунка;i - позиционный
допуск расположения печатных проводников.
4.6 Описание конструкции блока ИК-управления
Рассмотрим конструкцию блока ИК-управления по сборочному
чертежу, представленному в графической части курсового проекта.
Блок выполнен в виде автономного прибора,
в состав которого входит модуль управления, на котором расположены все элементы
устройства.
Модуль управления (поз. 1) устанавливается на бобышки в
корпусе, и крепится с помощью винтов (поз. 10).
В крышке (поз. 3) имеются отверстия для вывода индикаторов на
лицевую поверхность устройства, а сзади корпуса (поз. 2) имеются отверстия для
вывода кабелей для подсоединения с внешними электрическими приборами.
Крышка (поз. 3) к корпусу крепится при помощи винтов (поз.
12).
Корпус блока получился с габаритами 140х120х40.
5.
Расчет показателей качества конструкции блока ИК-управления
.1
Расчет массогабаритных характеристик
Целью данного расчета является определение массы и габаритных
размеров блока ИК-управления, а также определение параметров, характеризующих
качество компоновки конструкции.
Масса блока mБИУ, г, определяется по формуле:
(5.1)
где mКОРП - масса корпуса, г;МУ. - масса
модуля управления, г;КР. - масса крышки, г;д. и к.э. -
масса деталей и конструктивных элементов блока, г.
Масса модуля управления mМУ складывается из массы
элементов (см. таблицу 4.1) и массы платы, которая определяется согласно
выражению:
(5.2)
где ρ -
плотность платы, кг/м3;
а, b, h -
геометрические размеры платы, м3.
Подставляя значения ρ, а, b, h в выражение 5.2 получают:
Массу корпуса, крышки определяют взвешиванием. Поэтому для
дальнейших расчетов следует использовать следующие значения: mКОР =45
г., mКР=18 г.
Суммарную массу блока с учетом масс всех деталей и конструктивных
элементов mд. и к.э., входящих в его конструкцию,
следует определять, воспользовавшись таблицей 5.1.
Таблица 5.1 - Расчет массы и объема блока
|
Наименование
детали
|
Ni
|
Vi∙Ni,
мм3
|
mi∙Ni,
г
|
|
Модуль
управления
|
1
|
369600
|
245
|
|
Корпус
|
1
|
638400
|
45
|
|
Крышка
|
1
|
33600
|
18
|
|
Детали и
конструктивные элементы блока
|
-
|
-
|
5
|
|
ИТОГО:
|
-
|
1041600
|
313
|
Габаритные размеры блока ИК-управления определяются согласно
компоновочному эскизу и равны: 140х120х40 мм. Объем блока VБ, мм3
определяется следующим образом:
Б=А∙В∙Н, (5.3)
где А - высота блока, мм;
В-длина блока, мм;
Н - ширина блока, мм.Б= 140∙120∙40
= 672000 мм3 (» 0,67 дм3).
Оценку качества компоновки конструкции производят на основе
анализа рассчитанных значений коэффициента дезинтеграции по объему, удельной
массы блока и плотности упаковки элементов в заданном объеме блока. Согласно
таблице 5.1 суммарный объем элементов блока элементов 
равен 1041600мм3.
(5.4)
Удельная масса блока определяется по формуле:
(5.5)
.
Плотность упаковки в заданном объеме блока находится согласно
выражению:
(5.6)
.
Полученные результаты по массогабаритному расчету сводят в таблицу
5.2.
Таблица 5.2 - Массогабаритные показатели блока
|
Наименование
показателя
|
Единица
измерения
|
Значение
показателя
|
|
Объем блока (Vб)
|
см3
|
672
|
|
Плотность
упаковки (gV)
|
эл/см3
|
0,08
|
|
Коэффициент
дезинтеграции по объему
|
-
|
0,65
|
|
Объем
конструкции (VЭБ)
|
см3
|
1041
|
|
Общая масса
конструкции
|
г
|
313
|
|
Удельная масса
блока (rб)
|
г/см3
|
0,47
|
Анализируя массогабаритные показатели блока ИК-управления, приведенные в
таблице 5.2, делаем вывод об успешном удовлетворении требований технического
задания по габаритам и массе.
5.2 Расчет вибропрочности блока
В процессе изготовления, транспортировки и эксплуатации РЭС
подвергаются различным видам механических воздействий: линейным ускорениям,
вибрации, ударам. Согласно ТЗ изделие должно быть стойким к заданным значениям
внешних воздействующих факторов, поэтому необходимо математически подтвердить правильность
выбора конструкционных материалов, методов крепления элементов на плате и т.д.
Для расчета вибропрочности РЭС целесообразно выбирать
наиболее слабые элементы конструкции блока, которые в наибольшей степени
чувствительны к механическим воздействиям. К таким элементам можно отнести
печатную плату с размещенными на ней компонентами, так как от целостности платы
зависит работоспособность всего блока.
Исходные данные для расчета вибропрочности платы модуля
приводятся в таблице 5.3.
Таблица 5.3 - Исходные данные для расчета
вибропрочности
|
Параметр
|
Значение
|
|
Геометрические
размеры,  
|
|
|
Плотность,  2,28 ∙103 кг/м3
|
|
|
Модуль
упругости, Е
|
30,2∙109
н/м2
|
|
Коэффициент
Пуассона, ε
|
0,22
|
|
Суммарная масса
модуля
|
0,245 кг
|
|
Диапазон частот
вибраций
|
1…80 Гц
|
Расчет производят по методике, изложенной
в [3], где собственная частота колебаний печатной платы рассчитывается по
формуле:
(5.7)
где a, b - размеры платы (а>b), м;
mПП, mЭРЭ - масса платы и
компонентов (см. таблицу 5.1), кг;
- цилиндрическая жесткость платы, н ∙м;
Е - модуль упругости, н/м2;
ε - коэффициент Пуассона;
h - толщина платы, м;
α - коэффициент, зависящий
от формы и способа закрепления платы.
Цилиндрическая жесткость ПП рассчитывается
по формуле:
(5.8)
В проектируемой конструкции ФЯ крепится
при помощи винтов в четырех точках, расположенных по периметру платы. Для
такого способа закрепления (жесткое закрепление со всех сторон) ФЯ из [3]
необходимо выбрать формулу для нахождения коэффициента α:
(5.9)
где p=5,14;= 3,13;=5,14.
Подставляя исходные данные из таблицы 5.3
в формулы 5.7-5.9 получается:
,
Согласно вышеприведенному расчету, частота
собственных колебаний платы модуля не входит в диапазон частот вибрационных
колебаний заданных в ТЗ (304Гц > 80жГц), отсюда следует, что резонанса платы
не будет.
Однако при длительных воздействиях вибраций может произойти
отказ ячейки из-за усталостных разрушений. Поэтому для обеспечения достаточной
усталостной долговечности проверяется выполнение следующего условия:
(5.10)
где 
- минимально допустимая собственная
частота платы, Гц;
- перегрузка при вибрациях, м/с2;
- безразмерная постоянная, зависящая от 
и ;
- размер короткой стороны платы, мм;
- ускорение свободного падения, 
Согласно условию 5.10 получается:
Выполнение условия 5.10 в совокупности с вышеприведенным расчетом позволяет сделать вывод о том, что
конструкция платы модуля вибропрочна, так как в ней отсутствуют резонансы и
обеспечена усталостная прочность.
Заключение
В ходе выполнении курсового проекта были
разработаны и оформлены: пояснительная записка с комплектом конструкторской
документации на блок ИК-управления (БИУ). Пояснительная записка выполнена
согласно CК-СТО1-У-37.3-16-11, графическая часть в соответствии с ЕСКД.
В данном курсовом проекте был проведен
конструкторский анализ электрической схемы. Был выбран метод конструирования
метод моноконструкций, при этом блок состоит из одной конструктивно законченной
единицы - модуля управления, на котором расположены все ЭРИ устройства. Вариант
компоновки был выбран таким образом, что модуль управления установлен
горизонтально и крепится к основанию на 4-х бобышках при помощи винтов. Были
выбраны конструкционные материалы, которые удовлетворяют требованиям
технического задания.
В проекте были проведены проверочные
расчеты: массы и габаритов блока, вибропрочности функциональной ячейки, которые
подтвердили правильность выбора материалов и элементов, примененных в
конструкции в сочетании с конструктивным исполнением блока.
В комплексе показателей качества, спроектированный в данном проекте
блок в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания.
Для усовершенствования изделия можно применить
поверхностно-монтируемые ЭРИ, что даст выигрыш по массогабаритным показателям
всего устройства.
Библиографический
список
1.
Проектирование РЭС: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию /
В.Ф. Борисов, А.А. Мухин, М.Ф. Митюшин, А.Н. Шишков, Ю.В. Чайка. - М.: Изд-во
МАИ-ПРИНТ, 2008. - 96 с.: ил.
2.
Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. - М.: ФОРУМ:
ИНФРА-М, 2005. - 560 с.
3.
Парфёнов, Е.М. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры./ Е.М.
Парфёнов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев. - М.: Радио и связь, 1985
4.
Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.;
Под общей ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1987. -
352 с.
5.
Коммутационные устройства: Справочник/ Р.К. Томас. - М.: Радио и связь, Вып.
1136. - 143 с.
6.
Справочник по электрическим конденсаторам/ М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И.
Присняков и др.; Под общ. Ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и
связь, 1983. - 576 с.
7.
Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.5./А.В. Нефедов.
- М.:КУбК-а, 1987.-608 с.