Разработка конструкции функциональной ячейки

Разработка конструкции функциональной ячейки................................ 39

4.4 Выбор основных материалов................................................................. 41

4.5 Расчет геометрических размеров проводящего рисунка...................... 43

4.6 Описание конструкции............................................................................ 46

5 Расчет показателей качества конструкции.................................................... 48

5.1 Расчет вибропрочности конструкции блока.......................................... 48

5.2 Расчет массогабаритных показателей блока.......................................... 54

6. Расчет теплового режима блока............................................................... 55

6.1 Определение тепловой модели блока..................................................... 55

6.2 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса............................. 56

6.3Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны.................... 60

7 Расчет надежности ПУ................................................................................... 64

7.1 Расчет коэффицента нагрузки для ЭРЭ........................................... 64

7.2 Расчет эксплуатационной энтенсивности отказа ЭРЭ........................... 70

7.3 Окончательный расчет надежности для платы ПУ................................ 78

8 Разработка технологии изготовления блока усилилителя мощности звуковой частоты «Январь 2:1»....................................................................................... 80

8.1 Выбор типа и организационной формы производства......................... 80

8.2 Оценка технологичности конструкции................................................... 81

8.3 Выбор метода изготовления печатной платы........................................ 86

8.4 Проектирование технологического процесса сборки платы

усилителей..................................................................................................... 88

8.5 Детализация процесса сборки платы усилителей.................................. 89

8.6 Проектирование технологического процесса сборки блока усилителя мощности звуковой частоты «Январь 2:1»...................................................... 90

8.7 Выбор необходимой технологической оснастки................................... 90

8.8 Нормирование сборочной операции...................................................... 91

8.9 Выбор методов и средств контроля....................................................... 93

9 Организационно-экономическая часть......................................................... 94

9.1 Технико-экономическое обоснование необходимости разработки проектируемого устройства.......................................................................... 94

9.2. Расчет себестоимости проектируемого устройства в серийном производстве............................................................................................................................ 95

9.3 Определение цены проектируемого устройства.................................... 97

9.4 Разработка директивного графика работ по проектированию и изготовлению опытного образца............................................................................................. 98

9.5 Расчет затрат на проектирование и опытное производство разрабатываемого устройства......................................................................................................... 99

9.6 Оценка эффективности производства БКС........................................... 101

10 Безопасность и экологичность проектных решений................................. 105

10.1 Требования к безопасности по выполнению паяльных работ.......... 105

10.2 Расчет местной вытяжной вентиляции на участке сборки и монтажа платы усилителей....................................................................................................... 106

10.3 Действие электрического тока на организм человека....................... 108

10.4 Основные направления сотрудничества в области охраны окружающей среды.......................................................................................................................... 111

Заключение.................................................................................................. 114

Список сокращений..................................................................................... 115

Библиографический список......................................................................... 116

Нормативные ссылки.................................................................................. 117

Приложение А – Перечень элементов плата усилителей.......................... 118

Приложение Б – Спецификация плата усилителей.................................... 123

Приложение В – Спецификация блок усилителя мощности звуковой частоты «Январь 2:1»................................................................................................... 129

Приложение Д – Инструкция по контролю и проверке параметров........ 132

Приложение Е – Маршрутные карты........................................................ 135

Введение

Начиная с начала прошлого столитетя на заре развития звуковой техники появилась необходимость в создании устройства, которое позволяло усилить звуковой сигнал и донести его до слушатея. Первые примитивные усилители были построены на лампах, были громоздкими и тяжелыми. Такие усилители применялись в основном для уличных громофонов и радиоприемников. В середине двадцатого века, когда полупродниковая технология набирает обороты, был собран первый транзисторный усилитель мощности звуковой частоты. Он был прост в изготовлении не такой громоздкий. К концу семидисятых началу восьмидесятых годов применялся практически во всех отраслях звуковой техники, будь то магнитофон, тлелевизор или радиоприемник. Ламповая технолгия усилителя к этому времения практически утратила свое применение. В восьмидисятых годах появились первые микросхемы, сочетающие в себе схему, которая могла заменить целую плату транзисторнрого усилителя. Первые микросхемные усилители имели низкое качество звучания, но всвязи с быстрым темпом развития науки и технолгий микросхемные усилители улучшили качество звучания практически до идеального. Современные микросхемы очень популярны у производителей звуковой техники. Микросхемы компактны, просты в установке, а главное имеют высокое качество звучания, низкий коэффициент нелинейных искажений, высокий КПД, и очень низкую стоимость, доступны в любом магазине радиодеталей. На сегодняшний день потребителю предоставляется огромный выбор усилителей мощности звуковой частоты различающихся своим дизайном стоимостью и соответственно качеством звучания.

В моем дипломном проекте представлен усилитель мощности звуковой частоты «Январь 2:1». Усилитель построен на трех высокомощных микросхемах TDA7294 признаними самыми прогрессивными УМЗЧ микросхемами. Микросхемы управляется цифровым аудиопроцессором, что значительно повышает качество звучания, поскольку исключаются помехи от механических регуляторов. Так же управлять устройства можно с пульта дистанционного управления, что, безусловно, явлется удобным современному пользователю. Усилитель позволяет поключить к нему одновременно три устройства, что делает его универсальным и очень удобным, поскольку подключаемые устройства можно прослушивать нажатием одной клавиши на пульте дистанционного управления без переподлючения входных разьемов. Форма «2:1» означает, что усилитель имеет два средне-высокачастотных стереовыхода и низкочастотный выход. Усилитель рассчитан на мощные акустические ситемы и обеспечивает превосходное качества звучания даже на масимальном уровне громкости. Красивый металлический корпус прямоугольной формы позволяет легко вписать его в современный интерьер.

1 Техническое задание

1.1 Наименование, назначение и область применения;

1.1.1 Наименование

Пульт коммуникации (далее в тексте усилитель, устройство, изделие).

1.1.2 Назначение.

Предназначен для коммуникации узлами стенда, который в свою очередь применяется для проверки трехпозиционного клапана (модулятора)

1.1.3 Область применения

Научно-технические центры, испытательные лаборатории.

1.2 Основание для разработки

Основанием разработки является задание на дипломное проектирование, выданное на кафедре Арзамасского Политехнического Института (Арзамасского Филиала Нижегородского Государственного Технического Университета им. Р.Е. Алексеева) и утвержденное приказом по вузу от «__». _________ 2015г №______

1.3 Источник разработки

Схема электрическая принципиальная и перечень элементов являются собсвенным техническим решением. В ходе разработки были использованы материалы сайтов: «RadioParty Microcontrollers and Techologies» (эл. Адрес: www.radioparty.ru), «Electro Club» (эл. Адрес: www. electroclub.info), «Чип и Дип» (эл. Адрес: www.chipdip.ru), «DataSheet.ru» (эл. Адрес: www. datasheet.ru).

1.4 Цель выполнения разработки

Целью работы является разработка конструкции и и технологичского процесса изготовления пульта коммуникации.

1.5 Тактико-технические требования

1.5.1 Состав изделия:

- блок пульта коммуникации;

- шнур питания от сети 220 В;

- инструкция по эксплуатации.

1.5.2 Показатели назначения:

а) Питание пульта должно осуществляться от двух внешних блоков питания напряжением первый – +5В, +24В, второй – +25…110В.;

б) Потребляемая мощность не более 2 Вт.

в) Изделие должна быть предназначена для непрерывного режима работы

1.5.3 Требования к конструкции

Объем блока не более 3,5 дм3.

Масса блока не должна превышать 1,5 кг.

Габаритные размеры блока должны быть не более 230х150х180 мм.

Блок должен выполнять свои функции и обеспечивать заданные параметры при давлении не более 809 мм рт. ст. и не менее 684 мм рт. ст.

Блок должен выполнять свои функции и обеспечивать заданные параметры при температуре окружающей среды от 1 до плюс 35 ⁰С.

Изделие должно удовлетворять требованиям ТЗ в условиях, и после воздействия относительной влажности окружающего воздуха до 80% при температуре +25 °С.

Конструкция блока должна выдерживать синусоидальную вибрацию в диапазоне от 5 Гц до 100 Гц.

В состав пульта коммуникации входят: модуль сопряжения и генерации, промежуточное реле, основание блока, крышка блока и панель коммутации.

По внешнему виду изделия должны соответствовать

образцамэталонам, утвержденным в установленном порядке.

Блок должен отвечать эргономическим и эстетическим требованиям, предъявляемым к средствам аналогичного назначения.

1.6 Условия эксплуатации

Изделие предназначено для эксплуатации в отапливаемом помещении.

Изделие при эксплуатации должно быть стойким к внешним климатическим факторам в соответствии с таблицей 1.1.

Таблица 1.1 - Климатические условия эксплуатации блока

Климатический фактор (КФ)	Характеристика КФ	Предельное значение КФ	Примечание
Пониженное атмосферное давление	Рабочее, Минимальное мм рт.ст		устойчивость
Повышенная температура среды	Рабочее, ˚С Предельное, ˚С	+40 +50	устойчивость стойкость
Пониженная температура среды	Рабочее, ˚С Предельное, ˚С	минус 2 минус 5	устойчивость стойкость
Относительная влажность воздуха при температуре среды не выше +25˚С	Рабочее, % Предельное, %		устойчивость стойкость

После пребывания в условиях повышенной и пониженной температур устройство не должно иметь следов коррозии и нарушения покрытий.

1.7 Требования к транспортировке и хранению

Устройство в упаковочной таре (заводской упаковке) должно храниться при температуре от -10 до +50 ˚С.

Изделие должно сохранять свои характеристи при хранении в течении 15 лет.

Устройство, упакованное в транспортную тару должно сохранять работоспособность после транспортирования любым видом транспорта без ограничения расстояния.

Транспортная тара должна быть изготовлена согласно ГОСТ 17527-2003.

1.8 Требование к ремонтопригодности

Блок относится к восстанавливаемым и ремонтируемым изделиям. Ремонт допускается проводить на предприятии-изготовителе или на специальной ремонтной базе.

1.9 Требования к элементной базе и комплектующим изделиям.

В изделии допускается применение комплектующих зарубежного производства при условии их явного преимущества перед отечественными аналогами по основным техническо-экономическим показателям.

1.10 Требования к стандартизации и унификации

Изделие должно быть разработано с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных деталей, узлов и конструктивных изделий.

Все элементы конструкции выполнять в соответствии с государственными стандартами.

1.11 Требования к надежности

Показателем надежности и долговечности устройства является среднее время наработки на отказ всех элементов и комплектующих входящих и составляет приблизительно 25000 часов.

1.12 Требования к эргономике и дизайну

Устройство должно быть выполнено в удобном для эксплуатации корпусе, хорошо вписывающемся в современный интерьер.

индикатор должен быть выбран с учетом следующих условий работы блока:

- максимальная дистанция наблюдения, м…………………………………2;

- цвет свечения дисплея ……………………………………..желто-зеленый;

- контрастность дисплея ……………………………………………….….4:1;

- интенсивность свечения дисплея, мКд……………………………….….12.

Наличие трещин, царапин, расслоений и других дефектов не допускается.

1.13 Требования к безопасности

Согласно ГОСТ Р 52161.1-2004 прибор должен быть сконструирован так, чтоб при нормальной эксплуатации он работал безопасно, чтобы не возникала опасность для работающего с ним человека и окружающей среды, даже в случае небрежного обращения с прибором, возможного при эксплуатации.

Пробор должен быть сконструирован так чтоб была достаточная защита пользователя от случайного контакта с токоведущими частями.

Материалы изделия не должны выделять токсичных, вредных для здоровья человека веществ.

Внешний вид и качество покрытий должны соответствовать нормам. Номенклатура материалов, применяемых в изделии, должна быть минимально возможной и соответствовать требованиям стандартов и действующим ограничительным перечням.

1.14 Производственно-технологические требования.

Следует использовать широко распространенные и общедоступные материалы и комплектующие.

Необходимо минимизировать использование драгметаллов

Целесообразно использовать типовые технологические процессы изготовления узла.

Планируемый объем производства 1000 шт/год

2 Анализ технического задания

Основываясь на области применения рассматриваемого изделия, необходимо выделить основные тенденции проектирования, с помощью которых возможно обеспечить широкие функциональные возможности прибора, относительно низкую стоимость, высокую надежность и привлекательный внешний вид.

Широкие функциональные возможности изделия могут быть обеспечены путем правильного и рационального построения его схемотехнической части. В виду того, что однообразность задачи, решаемой изделием, не требует больших вычислительных мощностей, то наиболее целесообразным решением будет использование микросхем серии КР293 и К155, которые обладают достаточно высокой помехоустойчивостью.

По способу размещения компонентов функциональные ячейки и узлы подразделяются на два типа: односторонние и двусторонние. Последние характеризуются более высокой плотностью монтажа, что позволяет снизить габариты и массу изделия. С целью снижения стоимости изделия желательно использовать односторонний способ монтажа, который позволит отказаться от применения в конструкциях ячеек более дорогих многослойных печатных плат с малым шагом координатной сетки.

По условиям, оговоренным в ТЗ, блок должен надежно работать при случайном воздействии вибраций и небольших ускорений. Поэтому для обеспечения устойчивой работы особых мер принять не следует.

Как следует из данных, приведенных в ТЗ, конструкция блока не будет содержать высокомощных компонентов. Поэтому для обеспечения нормального теплового режима достаточно выполнить рациональную компоновку блока.

В соответствии с ТЗ, блок должен работать в условиях относительно небольшой влажности, поэтому для обеспечения пыле- и влагозащиты достаточно использовать негерметичный глухой корпус.

Для обеспечения внутриаппаратной ЭМС конструкции необходимо: раз- работать топологию плат с учетом возможного возникновения перекрестных помех, обеспечить минимальные индуктивности и сопротивления шин питания, установить на шинах питания фильтрующие конденсаторы.

Блок должен иметь привлекательный внешний вид и отвечать требовани- ям эргономики. Цвет корпуса необходимо выбрать таким образом, чтобы он оказывал благоприятное воздействие на оператора. Надписи на корпусе долж- ны быть хорошо видимыми, легко читаемыми и нестираемыми.

3 Конструкторский анализ электрической схемы блока

3.1 Описание электрической структурной схемы пульта коммуникации Структурная схема пульта коммуникации приведена в графической части курсового проекта на чертеже АПИД.408843.014 Э1.

На структурной схеме отображены основные элементы конструкции, схема дает общее представление о работе пульта коммуникации.

Схема запитывается от двух лабораторных блоков питания

напряжением +5 В, +24 В и +24…110 В соответственно.

Программа, запущенная на электронной вычислительной машине (ЭВМ), управляет работой стенда.

Модуль сопряжения и генерации обрабатывает сигналы, поступающие с датчиков давления ВР…ВР2 и катушек проверяемых клапанов YA1, YA2, и передает их на ЭВМ. Также модуль сопряжения и генерации принимает управляющие сигналы с ЭВМ и управляет работой клапанов YA1… YA5.

Промежуточное реле обеспечивает функционирование пульта коммуникации в двух режимах работы «Ручной» и «Автоматический», а также управляет светодиодной индикацией.

Панель коммутации, представляет собой набор переключателей и тумблеров, использующихся для коммуникации работой стенда в ручном режиме.

3.2 Принцип работы схемы и устройства

В графической части курсового проекта представлена схема электрическая принципиальная модуля сопряжения и генерации АПИД.411521.014 Э3.

Схема модуля сопряжения и генерации состоит из делителя напряжения, твердотельных реле, генератора прямоугольных импульсов с силовыми выходами, реализованного на микросхемах DD1, DD8, DD9. Пульт так же имеет в своем составе панель коммутации, промежуточное реле и индикацию, реализованную в виде светодиодов VD2...VD6 располагающиеся на панели коммутации.

В пульте реализовано два режима работы «Ручной» и «Автоматический», выбор режимов работы пульта осуществляется путем переключения переключателя SA8 на панели коммутации в соответствующее положение.

При выборе режима работы пульта «Ручной» и включение переключателя SA1 «Питание» загораются светодиоды VD2 «+5V», VD3 «+24V», VD4

«+24…110V», VD5 «Ручной». Переключатель SA6 «Прижим» включает клапан подающий давление в тормозной цилиндр, который прижимает проверяемые клапана. Переключатели SA4 «КЭ1», SA5 «КЭ2» подают давление на проверяемые клапана установленные на первой и соответственно второй линиях проверки. Переключатель SA7, в режиме «Проверка» запускает нормальный режим проверки с участием переключателей SA2 «ИЗД.1», SA3 «ИЗД.2», которые коммутируют катушки первого и соответственно второго проверяемого клапана, позволяя проверить функционирование клапанов в нормальном режиме. При выборе переключателем SA7 режима «Прикатка» запускается генератор, собранный на микросхеме DD1, прямоугольных импульсов частотой 1Гц. В режиме «Прикатка» проводиться наработка на отказ проверяемого клапана.

При выборе режима работы пульта «Автомат.» стенд, а также пульт, переходят под коммуникации прикладного программного обеспечения запущенного на ЭВМ.

Конденсаторы С1…С5 защищают цепи питания от помех высокой частоты. Диоды VD1..VD3 защищают схему прибора от бросков напряжения при коммутации катушек клапанов.

3.3 Анализ элементной базы блока по условиям эксплуатации

Анализ элементной базы проводим с целью установки соответствия радиоэлементов требованиям условий эксплуатации и заданным характеристикам разрабатываемого устройства. Для этого составляем таблицу допустимых значений эксплуатационных характеристик радиокомпонентов. Все компоненты, перечисленные в таблице 3.1, работают при влажности 80% (при 25 0С).

Таблица 3.1 - Анализ элементной базы блока по условиям эксплуатации

Наименование	Температура, °С	Механические возд.	Влаж- ность (t=+25 0C), %
min	max	Вибраци, Гц	Линейное ускорение, g
Микросхема К155ЛА3	-10	+70	1-1000
Твердотельное реле КР293КП12БП	-45	+85	1-600
Твердотельное реле КР293КП12АП	-45	+85	1-600
ЧИП конденсатор 0,1 мкФ Y5V	-60	+100	1-5000
Конденсатор ЕСR 16V	-60	+80	1-3000
Резистор C2-33H-0,125	-60	+125	1-5000
Диод 1N4005	-40	+85	1-5000
Клемник винтовой MB322-500M	-40	+105	1-2000
Клеммник винтовой MB322-100M	-40	+105	1-2000
Реле промежуточное РЭК77/4	-60	+85	1-2000

Продолжение таблицы 3.1

Сетевой переключатель B127B	-20	+50	1-2000
Сетевой переключатель B128A	-20	+50	1-2000
Сетевой переключатель B100K	-20	+50	1-2000
Сетевой переключатель R13-66	-20	+50	1-2000
Сетевой переключатель B1013	-20	+50	1-2000
Сетевой переключатель R13112A	-20	+50	1-2000
Светодиод АЛ307КМ	-40	+85	1-5000
Светодиод АЛ307НМ	-40	+85	1-5000
Транзистор КТ503А	-60	+85	1-7000
Вилка 2РМ14Б4Ш1Е1	-60	+85	1-8000
Вилка 2РМ18Б4Ш5Е1	-60	+85	1-8000
Разъем DHS-26M	-55	+105	1-5000
Разъем DHS-44F	-55	+105	1-5000
Разъем BNC124	-40	+125	1-8000
Разъем модульный РРМ77/4	-60	+85	1-5000
Розетка 2РМ14Б4Г1Е1	-60	+85	1-8000
Розетка 2РМ18Б7Г1Е1	-60	+85	1-8000

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что выбранная элементная база полностью удовлетворяет требованиям технического задания.

3.4 Разукрупнение электрической схемы блока

Любая РЭС строится по иерархическому принципу. Поэтому одной из основных задач конструирования является разукрупнение электрической схемы проектируемого изделия на конструктивно-технологические единицы (КТЕ). Главными принципами разукрупнения при модульном конструировании РЭС являются:

- КТЕ должны быть функционально и конструктивно завершёнными;

- максимальная повторяемость КТЕ в проектируемом изделии;

- увеличение в пределах технологических и экономических ограничений функциональной сложности КТЕ низших уровней;

- конструктивная, технологическая, тепловая и электромагнитная совместимость КТЕ;

- количество выводов у КТЕ должно быть минимальным.

В электрической схеме пульта коммуникации можно выделить следующие функциональные узлы:

- модуль сопряжения;

- модуль генерации.

С помощью математического расчёта выберем наилучший вариант разбиения. Будем рассматривать следующие варианты: из 1 КТЕ и 2 КТЕ.

За критериальную количественную оценку качества разукрупнения примем комплексный показатель:

где , - значения весовых коэффициентов, установленные из условия: å = 1;

К ', — нормированные значения показателей качества.

В качестве показателей качества используем массу конструкции mк, объ- ем конструкции V Ки общую площадь печатных плат S пл. Все данные сведем в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Показатели качества

Вариант разукрупнения	m к, кг	V K, дм3	S пл, см2
1КТЕ	0,2	0,25
2КТЕ	0,25	0,4

Пронормировав показатели качества относительно наибольшего значения в каждом столбце, получим таблицу 3.3.

Таблица 3.3 – Пронормированные показатели качества

Вариант разукрупнения	m к, кг	V K, дм3	S пл, см2
1КТЕ	0,8	0,6
2КТЕ			0,8

Учитывая требования ТЗ и выбор базовой несущей конструкции, полагаем, что весовые коэффициенты равнозначны и равны = 0,33.

Комплексные оценки для трех вариантов разукрупнения будут иметь следующие значения:

Q 1 = 0,33 · 0,8 + 0,33· 0,6 + 0,33 ·1 =0,8,

Q 2 = 0,33·1 + 0,33·1 + 0,33·0,8 =0,9.

Оптимальному варианту разукрупнения РЭС должен соответствовать ми- нимальный комплексный показатель Qi. Следовательно, оптимальным является

первый вариант разукрупнения с применением одной КТЕ модуль сопряжения и генерации.

3.5 Предварительный расчет объема и массы блока

Расчет производится для проверки выполнения требований к массогабаритным характеристикам изделия при заданном схемотехническом построении. Они определяются с использованием коэффициентов дезинтеграции объема и массы по методике, изложенной в [1], по формулам:

V = V ЭРКS· qv, (3.2)

m = m ЭРКS· qm, (3.3)

где V ЭРКS– объем всех ЭРК в блоке, дм3;

m ЭРКS– масса всех ЭРК в блоке, кг;

qv – коэффициент дезинтеграции объема для заданного типа конструкции; qm – коэффициент дезинтеграции массы для заданного типа конструкции. Основные группы ЭРК приведены в таблице 3.4

Таблица 3.4 – Массогабаритные характеристики элементной базы блока

Наименование ЭРК	Кол-во n, шт	Установочные параметры
mi, г	Σmi, г	Vi, мм3	ΣVi, мм3
Микросхема К155ЛА3
Твердотельное реле КР293КП12БП
Твердотельное реле КР293КП12АП
ЧИП конденсатор 0,1 мкФ Y5V
Конденсатор ЕСR 16V
Резистор C2-33H-0,125
Диод 1N4005
Клемники винтовые
MB322-100M-07P
MB322-100M-02P
MB322-100M-05P
MB322-100M-03P
MB322-100M-06P
MB322-100M-09P
Реле промежуточное РЭК77/4
Сетевой переключатель B127B

Продолжение таблицы 3.4

Сетевой переключатель B128A
Сетевой переключатель B100K
Сетевой переключатель R13-66
Сетевой переключатель B1013
Сетевой переключатель R13112A
Светодиод АЛ307КМ
Светодиод АЛ307НМ
Транзистор КТ503А
Вилка 2РМ14Б4Ш1Е1
Вилка 2РМ18Б4Ш5Е1
Разъем DHS-26M
Разъем DHS-44F
Разъем BNC124
Разъем модульный РМ77/4
Розетка 2РМ14Б4Г1Е1
Розетка 2РМ18Б7Г1Е1
Плата
Σ

При установке компонентов на печатную плату происходит потеря площади и объёма узла, так как невозможно установить все компоненты без потерь. То же самое происходит и при сборке блока. Данные потери учитывают коэффициенты дезинтеграции по объёму и массе, определяемые из [2], которые для данного блока составляют:

по объёму: qv = 1,8;

по массе: qм = 1,2.

Рассчитаем удельный объём и массу блока:

V = 455374·1,8 = 819673,2 мм3=0,819 дм3,

m = 564∙1,2 = 676,8 г.

Расчёт удовлетворяет требованиям технического задания на массогабаритные характеристики (V ≤ 3,5 дм3, m ≤ 1,5 кг).

4 Разработка конструкции блока

4.1 Выбор метода конструирования

Существует два различных подхода к разработке конструкций РЭС. Первый из них основан на широком использовании в РЭС унифицированных несущих конструкций, принимаемых за базу (основу) для создания различных изделий, аналогичных или близких по функциональному назначению. Этот метод называется методом базовых несущих конструкций (БНК), где под БНК понимают несущие конструкции, габаритные, установочные и присоединительные размеры которых стандартизированы и обеспечивают размерную взаимозаменяемость аппаратуры. Такой подход позволяет сократить затраты на проектирование, освоение, производство и эксплуатацию РЭС.

Второй подход заключается в создании РЭС на основе оригинальных несущих конструкций. Его использование наиболее характерно для ракетных РЭС, к которым предъявляют жесткие требования по габаритам, массе и форме, а также для бытовых РЭС, для которых на первом плане стоит оригинальность дизайна.

При компоновке блока целесообразно использовать основные правила функционально-узлового метода, который является разновидностью базового метода конструирования.

4.2 Компоновка блока

Под компоновкой блоков понимают взаимную ориентацию ячеек или других конструктивных зон (электрической коммутации, механических элементов и т.п.) в заданном объеме блока. Для выбора компоновочной схемы решающее значение имеют следующие факторы: вид РЭС (бортовая, наземная и др.), условия эксплуатации (уровни механических, тепловых и др. воздействий), требования к ремонтопригодности, вид используемой элементной базы, способ выполнения электрических соединений и др.

При компоновке блока необходимо определить рациональные величины зазоров между элементами конструкции. Эти зазоры, с одной стороны, должны обеспечивать удобство сборки блока, необходимую степень изоляции между токонесущими элементами, нормальный тепловой режим блока и т.п., а с другой достаточно высокую плотность упаковки компонентов в блоке.

4.1.1 Определение габаритных размеров печатных узлов

Согласно ГОСТ Р 53429-2009 ПП размеры каждой из сторон печатной платы должны быть кратными: 2,5 мм при длине до 100 мм включительно; 5 мм до 350 мм включительно. Окончательно получим следующие габаритные размеры печатной платы модуля сопряжения и генерации: длина Ly 1=120 мм, ширина Lx 1=140 мм, максимальная высота элементов Н эл= 15 мм.

4.1.2 Выбор типа конструкции и схемы компоновки блока.

Компоновку пульта коммуникации для простоты сборки, эксплуатации и ремонта выполняется разъёмной. Коммутацию между модулем сопряжения и генерации, реле, панелью коммутации и внешними разъемами целесообразно осуществить с помощью винтовых клемников.

4.1.3 Компоновочный эскиз

В результате разукрупнения блока на КТЕ была определена оптимальная схема компоновки блока, в которой функциональная ячейка (ФЯ) (модуль со- пряжения и генерации) крепиться к основанию блока на четырех бобышках. Предлагаемый способ установки модуля позволяет увеличить степень безопас- ности прибора. Промежуточное реле устанавливается рядом с ФЯ. Основание крепиться к крышки с помощью четырех винтов со стороны основания. Ком- мутационные элементы устанавливаться на панели коммутации, которая кре питься к основной части блока с помощью четырех самонарезающихся винтов. Все разъемы устанавливаются на задней части пульта.

Компоновочный эскиз пульта коммуникации представлен на рисунке 4.1.

1 – модулем сопряжения и генерации; 2 – промежуточное реле;

3 – разъем модульный; 4 – панель коммутации; 5 – кожух; 6 – панель;

7 – внешние разъемы.

Рисунок 4.1 – Компоновочный эскиз пульта коммуникации

При выполнении эскиза принимаем следующие нормы:

– толщина плат h п=1,5 мм;

– толщина стенок корпуса без учета локальных утолщений типа рёбер жёсткости, приливов и др. принимается равной δК = 3 мм;

– высота модульного разъема для монтажа реле, h МР= 26 мм;

– высота реле, h Реле= 32 мм;

– воздушный зазор между промежуточным реле и нижней частью пере- ключателя назначается таким, чтобы не было их касания даже при вибрациях, h ВЗ1= 10 мм;

– высота переключателя с учетом угла наклона панели коммутации,

h Пер.= 26 мм;

– расстояние между передним краем корпуса и модульным разъемом,

l ВЗ1=60 мм;

– длина модульного разъема, l МЗ1=78 мм;

– воздушный зазор между модульным разъемом и выступающей частью внешнего разъема, l ВЗ2= 5 мм;

– длина выступающей части внешнего разъема внутрь корпуса, l РБ1=7 мм;

– длина выступающей части внешнего разъема наружу корпуса,

l РБ2=7 мм;

– боковые зазоры между модулем сопряжения и генерации и боковой стенкой корпуса, назначаемые из условия удобства сборки и монтажа блока, везде должны быть l ЗБ1= 2 мм;

– расстояние между модулем сопряжения и генерации и модульным

разъемом, l ЗМ-Р=17 мм;

– ширина модульного разъема, l МЗ2=44 мм;

– боковые зазоры между модульным разъемом и боковой стенкой корпу- са, назначаемые из условия удобства сборки и монтажа блока, везде должны быть l ЗБ2= 11 мм;

Из эскиза видно, что длину L К, ширину В Ки высоту Н К корпуса блока можно рассчитать по формулам:

L К= Lx 1+2·δК+ l ЗБ1 + l ЗМ-Р+ l МЗ2+ l ЗБ2, B К= Ly 1+2·δК+ l ВЗ1+ l МЗ1+ l ВЗ2+ l РБ1,

L К=140+2·3+2+17+44+11=220 мм; B К=60+2·3+78+5+7=156 мм;

H К= h МР +2·δК+ h Реле+ h ВЗ1+ h Пер.,

H К26+3·2+32+10+26=100 мм,

Объём корпуса блока V б:

V б= L К· B К· H К,

V б=220·156·100= 3432000 мм2 ≈ 3,4 дм3.

Габаритные размеры блока (длина L б, ширина В б и высота Н б) определяются следующим образом:

L б= L К=220 мм,

В б= B К+ l РБ2,

В б=156+7=163 мм;

Н б = H К+ h н,

Н б =100+3=мм, где h н – высота ножек.

4.3 Выбор системы охлаждения

Массогабаритные характеристики блока во многом зависят от способа его охлаждения, который в свою очередь должен обеспечить нормальный тепловой режим конструкции.

Выбор системы охлаждения будем производить по методике, изложенной в [2]. При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные:

- мощность, потребляемая блоком от источника питания Р = 2 Вт;

- максимальное значение температуры окружающей среды t c макс =350С;

- допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента

t эл min = 500 С;

- минимальное давление окружающей среды Нcmin = 684 мм. рт. ст.;

- нормальное атмосферное давление Н = 760 мм. рт. ст.;

- длина корпуса А = 220 мм;

- ширина корпуса В = 156 мм;

- высота корпуса Н = 100 мм;

Тепловой поток рассеивания блока Р блт, Вт., определим следующим обра-

зом:

Р блт= Р бл(1- η)(4.1)

где η= 0,6- коэффициент полезного действия.

Р блт = 2 × (1- 0,6) = 0,8 Вт.

Площадь поверхности теплообмена (корпуса блока):

S к = 2(А∙В + А∙Н + В∙Н) (4.2)

S к = 2∙(220∙156 + 220∙100 + 156∙100) = 143840 мм2 = 0,14 м2

Поправочный коэффициент на давление окружающей среды:

где HCmin – минимальное давление окружающей среды, мм рт.ст.;

H – нормальное атмосферное давление, равное 760, мм рт.ст.

Поверхностная плотность теплового потока, Рos, Вт/м2:

Допустимый перегрев конструкции, Δ t доп, °С, рассчитывается по формуле:

Δ t доп = t эл .min - t c. max, (4.5)

где t эл. min – допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента, [0C];

t с .max – максимальная температура окружающей среды, 0 C.

Δ t доп = 50 – 35=15 °С.

Из пункта 4.9 по графику [2] определяется, что для данной конструкции можно использовать естественный воздушный способ охлаждения.

Разработка конструкции функциональной ячейки

В данном разделе разрабатывается конструкция модуля сопряжения и генерации.

Конструкция печатного узла в значительной степени зависит от типа конструкции самого блока, в состав которого он входит. В пульте коммуникации модуль сопряжения и генерации закрепляется в четырёх точках по углам – моделируется пластиной, равномерно нагруженной ЭРК, со свободной опорой на все стороны. Выбираем безрамочное исполнение, так пульт коммуникации не подвергается ударам и значительным вибрациям. Тип сборки 2С – смешанный двухсторонний монтаж на ДПП, монтаж поверхностно монтируемых компо- нентов на стороне А, монтаж ЭРК, монтируемых в отверстия на стороне А функциональной ячейки.

5.1 Выбор типа печатной платы

Так как элементы на плате расположены на обеих сторонах и для облег- чения разводки печатной платы, выбирается двухсторонняя печатная плата с металлизированными переходными отверстиями.

Несмотря на высокую стоимость, ДПП с металлизированными отвер- стиями характеризуются высокими коммутационными свойствами, увеличен- ной механической прочностью, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы, использованием полигона в качестве земляной шины, а также позволяют уменьшить габаритные размеры платы за счет плотного монтажа поверхностно монтируемых компонентов.

5.1.1 Выбор класса точности платы

Класс точности печатной платы – условное цифровое обозначение, ха- рактеризующее минимальные значения и точность выполнения размеров ри- сунка печатной платы.

В соответствии с ГОСТ Р 53429-2009 различают печатные платы семи классов точности. В конструкции модуля приставки применяются поверхност- но монтируемые компоненты с малыми размерами, требующими посадочные места, изготовляемые с высокой степенью точности.

Учитывая вышесказанное и руководствуясь ГОСТ Р 53429-2009 выбира- ем 3-ой класс точности изготовления ПП.

5.1.2 Расчёт диаметра монтажных отверстий

Номинальный диаметр монтажных металлизированных отверстий установим исходя из следующего соотношения:

d - (D d) Н. О. ³ dэ + rэ, (5.1)

где dН. О. - нижнее предельное отклонение диаметра отверстия, для отверстий диаметром до 1 мм включительно dН. О. = 0,1 мм, для отверстий диаметром более 1 мм dН. О. =0,15 мм.

r= 0,1 мм - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода, устанавливаемого ЭРК (ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм при ручной установке ЭРК);

dэ - значение диаметра вывода ЭРК, устанавливаемого на ПП (для пря- моугольного вывода за диаметр принимается диагональ его сечения).

Расчётное значение d следует округлить в сторону увеличения до десятых

долей миллиметра и свести к предпочтительному ряду: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;

1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5.

В соответствии с вышеизложенными соображениями составим таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Диаметры отверстий DIP компонентов

Наименование ЭРК	Кол. n, шт.	Тип корпуса	Диаметр или диагональ се- чения вывода, мм	Диаметр монтажного отверстия, мм
Реле КР293КП12БП		-	0,6	0,8
Реле КР293КП12АП		-	0,6	0,8
Микросхема К155ЛА3		DIP-14	0,6	0,8
Резистор C2-33H-0.125		-	Æ0,50	0,8
Клемник MB322-500M-07P		-	0,6	0,8
Клемник MB322-500M-02P		-	0,6	0,8
Клемник MB322-100M-05P			0,8	1,1
Клемник MB322-100M-03P			0,8	1,1
Клемник MB322-100M-06P			0,8	1,1
Клемник MB322-500M-09P			0,6	0,8

По углам платы, для крепления модуля сопряжения и генерации к основанию корпуса, предусматривается четыре неметаллизированных отверстий диаметром 4 мм под крепежные винты М3.

5.1.3 Выбор расстояния от края ПП до элементов печатного рисунка Расстояние Q 1 от края ПП до элементов печатного рисунка должно быть

не менее толщины платы, то есть Q 1≥1,5 мм.

5.1.4 Расчёт расстояния от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка

Расстояние Q 2 от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка определяется по формуле:

Q = q + k + 0,5 × (T 2 + T 2 + D t 2)0,5, (5.2)

2 D d в. о.

где q – ширина ореола, скола, мм;

k – наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка, которое должно быть не менее 0,15 мм для третьего и четвертого класса точности ПП;

TD – позиционный допуск расположения центров контактных площадок, мм;

Td – позиционный допуск расположения осей отверстий, мм;

Δ t в.п.– верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции (ширины печатного проводника), мм.

Из [8] определяется: q =0,35 мм; TD =0,15 мм; Td =0,08 мм; Δ t в.п.=0,1 мм.

Q 2=0,35+0,15+0,5·(0,152+0,082+0,12)0,5= 0,6 мм.

Расстояние от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка должно быть не менее 0,6 мм.

5.1.5 Расчёт ширины печатных проводников

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t, мм, рассчитывается по следующей формуле:

t = D tн. о. + t min D, (5.3)

где Δ t н.о.– нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного провод- ника, мм;

t min D – минимально допустимая ширина проводника, которая зависит от токовой нагрузки, мм.

Минимально допустимая ширина проводника определяется по формуле:

(5.4)

где I max– максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках, А;

j доп– допустимая плотность тока, А/мм2;

h – толщина печатного проводника, мм.

По [8] определяется: Δ t н.о.=0,1 мм; j доп=150 А/мм2. Максимальный посто- янный ток не превышает 0,3 А, h=0,035 мм. Тогда:

t = 0,1+ 0,08 = 0,18 мм.

В соответствии с третьим классом точности наименьшая ширина печат- ного проводника составляет 0,25 мм, что больше расчётной. Поэтому ширина всех проводников ПП принимается равной 0,5 мм.

5.1.6 Расчёт диаметра контактных площадок

Все монтажные отверстия располагаются в зоне контактных площадок, которые предпочтительно должны иметь круглую форму. Наименьшее номи- нальное значение диаметра контактных площадок определяется по формуле:

D = d + D d + 2 × b + D t + 2 × D d + (T 2 + T 2 + D t 2)0,5, (5.5)

в. о в. о. тр D d н. о.

где Δ d в.о.– верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм;

b – гарантийный поясок, мм;

Δ d тр– величина подтравливания диэлектрика в отверстие (для ДПП она равна нулю).

По справочным данным из [8] определяем: Δ d в.о.=0,05 мм; b =0,1 мм; Δ t в.о.=Δ t н.о.=0,1 мм. Тогда:

D = d + 0,05 + 2 × 0,1 + 0,1 + (0,152 + 0,082 + 0,12)0,5 = d + 0,55 мм.

Принимается D = d +0,6 мм.

5.1.7 Расчёт наименьшего расстояния между элементами проводящего рисунка

Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка (между двумя проводниками):

(5.6)

где S min– минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка, мм;

Δ t в.о– верхнее предельное отклонение ширины проводника, мм;

Т 1– позиционный допуск расположения печатных проводников, мм; Из [8] получается: S min=0,25 мм; Δ t в.о.=0,1 мм; Т 1=0,05 мм.

S = 0,25 + 0,1 +(0,05/2) = 0,375 мм.

5.2 Выбор конструкционных материалов

При выборе конструкционных материалов необходимо учитывать комплекс разнообразных взаимосвязанных физико-механических, химических, технологических и других факторов.

Материалы блока должны отвечать требованиям высокой удельной прочности, малой плотности, коррозийной стойкости, тепловой и технологической совместимости.

5.2.1 Выбор материала корпуса

Пульт коммуникации будет использоваться как технологическое оборудование, к которому не предъявляется особых требований по эстетике и дизайну, а так же будет иметь не высокую серийность.

В качестве корпуса для пульта коммуникации выбирается серийно выпускаемый покупной корпус марки G1500 фирмы Gainta. Корпус удовлетворяет всем нашим требованиям и имеет невысокую стоимость.

На этапе производства пульта коммуникации стендом, панель и кожух покупного корпуса G1500 дорабатываются для установки элементной базы.

5.2.2 Выбор материала печатной платы

В настоящее время существует широкий ассортимент материалов, применяемых для изготовления ПП [3]. К числу важнейших свойств материалов, используемых для ПП, относятся хорошая технологичность, позволяющая легко обрабатывать их в процессе производства, высокие электрофизические и физико-химические параметры. Материал должен обеспечивать хорошую адгезию с токопроводящими покрытиями, минимальное коробление в процессе производства и эксплуатации в соответствии с ГОСТ 23752-79. Выбранный материал должен обладать достаточной теплопроводностью, чтобы обеспечить отвод тепла от микросхем и других элементов для создания нормального теплового режима.

Для изготовления двухсторонних печатных плат комбинированными ме- тодами рекомендуется применять стеклотекстолиты марок: G-10, FR-5 и FR-4. Их параметры приводятся в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Параметры материалов плат

Параметры материала	Марка материала
G-10	FR-5	FR-4 МИ
Диапазон рабочих температур, °С	-60 … +120	-60 … +160	-60 … +155
Плотность r×10-3, кг/м3	2,2	2,1	1,8
Модуль упругости Е×10-9, н/м2	30,2	30,2
Температура стеклования tс, °С
Стоимость С, т. р. за м2	0,18	0,22	0,195

Выбор материала ПП произведем по комплексному показателю качества. Учитывая, что по диапазону рабочих температур материалы из таблицы приблизительно равны, в число значимых параметров включим 1/r, Тс, Е и 1/С. Примем тенденцию повышения качества материала при увеличении каждого из показателей и составим таблицу 5.3.

Таблица 5.3- Параметры материалов плат

Материал	1/r	Е	tс	1/С
G-10	0,45	30,2		5,5
FR-5	0,47	30,2		4,5
FR-4 МИ	0,55			5,1

Пронормировав показатели качества относительно наибольшего значения в каждом столбце, получим таблицу 5.4.

Таблица 5.4- Нормированные значения показателей

Материал	1/r	Е	tс	1/С
G-10	0,81	0,92	0,56
FR-5	0,85	0,92		0,81
FR-4 МИ			0,91	0,92
i	0,2	0,3	0,3	0,2

Комплексные показатели качества:

Q 1=0,81×0,2+0,92×0,3+0,56×0,3+1·0,2=0,806; Q 2=0,85×0,2+0,92×0,3+1×0,3+0,92·0,2=0,93;

Q 3=1×0,2+1×0,3+0,91×0,3+0,92·0,2=0,957

Наилучшим материалом для изготовления модуля сопряжения и генерации является FR-4 МИ-35/35-1,5 ТУ 2296-012-00213060-2006. Материал удовлетворяет всем условиям эксплуатации по физическим характеристикам.

5.2.3 Выбор других материалов

Несмотря на хорошую влагостойкость материала, из которого изготовле- на печатная плата, необходимо применять меры по защите элементов печатного монтажа, ИМС, ЭРК от воздействия влаги и загрязнений, так как поверхность диэлектрика быстро покрывается адсорбированным слоем влаги и загрязнений, которые определяют токи утечки, диэлектрические потери, электрическую прочность, качество соединительных дорожек и паек.

Поэтому в соответствии с ОСТ 180365-82 для защиты платы применяется трехслойное покрытие лаком УР-231.

Основные свойства лака:

- покрытие твердое, эластичное, механически прочное с хорошей адгезией;

- рабочий диапазон температур от минус 60 оС до плюс 120 оС;

- устойчиво к воздействию влаги;

- обладает хорошими электроизоляционными свойствами (удельное объ- емное электрическое сопротивление не менее 1013 Ом·см, электрическая проч- ность не менее 60 кВ/мм).

Покрытие лаком в отличие от защиты смолами и компаундами при прак- тически одинаковых свойствах сохраняет печатную плату ремонтопригодной, что немаловажно для потребителя.

Для пайки электрическим паяльником используется широко применяе- мый припой ПОС-61 ГОСТ21931-76 с флюсом ФКЭт ОСТ 4Г0.033.200.

5.2 Обеспечение электромагнитной совместимости блока

Электромагнитная совместимость (ЭМС) обуславливается возможностью

функционирования устройства совместно с другими техническими средствами в условиях возможного влияния непреднамеренных помех. Помехи, по месту возникновения, подразделяются на внешние и внутренние.

Внешние помехи создаются электромагнитным полем Земли. Внутренние поля могут создаваться токами, проходящими по шинам питания, а также наво- дится из соседних сигнальных цепей.

Для обеспечения внутриаппаратной ЭМС следует принять следующие

меры:

- максимально разнести в пространстве источники и приемники помех;

- развязать друг от друга ФУ, имеющие общие шины питания, с помощью фильтрующих конденсаторов;

- для наиболее критичных к помехам цепей выполнить гальваническую развязку;

- минимизировать длины соединительных проводников, располагать их ортогонально друг друга.

Для снижения помех в шинах питания в конструкции модуля сопряжения и генерации предусмотрено применение блокировочных (байпасных) конденса- торов, которые включены между проводником питания и общим проводом.

Применяемые в конструкции ЧИП-конденсаторы (C1...С5), благодаря от- сутствию проволочных выводов имеют существенно более низкие индуктивно- сти, чем навесные конденсаторы.

В процессе коммутации катушек пневмоклапанов возникают обратные токи самоиндукции, оказывающие влияние на стабильность работы цифровых узлов схемы. С данными видами помех с успехом справляется обратновклю- ченные диоды.

Немаловажным фактором при выборе твердотельных реле было и то, что в конструкции этих компонентов присутствует диод, который схематично включен между стоком и истоком полевого транзистора.

5 Расчет показателей качества конструкции

6.1 Расчет теплового режима блока

Этот расчет производится с целью проверки обеспечения нормального теплового режима в заданных условиях эксплуатации. Тепловой режим РЭС считается оптимальным, если температуры всех его ИМС и ЭРЭ не превышают предельно допустимых значений, указанных в ТУ на них.

6.1.1 Определение среднеповерхностной температуры корпуса

Для построения тепловой схемы блока принимаются следующие допущения:

- тепловой режим блока стационарный;

- поверхность нагретой зоны, а также корпуса изотермические с температурами t з и t ксоответственно;

- учитываем тепловое сопротивление стенок корпуса;

- теплообмен между корпусом и окружающей средой осуществляется излучением и конвекцией;

- теплообмен между нагретой зоной и корпусом осуществляется излучением, конвекцией и теплопроводностью.

Тепловая схема для конструкции блока приведена на рисунке 6.1.

t з0- температура в центре нагретой зоны;

t з- температура на поверхности нагретой зоны;

t квн- температура на внутренней поверхности стенки корпуса; t квнеш- температура на внешней поверхности стенки корпуса; t с- температура окружающей среды;

σзк - конвенция от нагретой зоны к корпусу;

σзт – тепловая проводимость от нагретой зоны к корпусу; σзл – лучеиспускание от нагретой зоны к корпусу;

σскт – тепловая проводимость стенки корпуса; σкк – конвенция от корпуса в среду;

σкл – лучеиспускание от корпуса в среду.

Рисунок 6.1 - Тепловая схема конструкции пульта коммуникации.

Выбирается степень черноты поверхности корпуса eк= 0,91 [2].

Определение среднеповерхностной температуры корпуса выполним по методу последовательных приближений.

Зададимся значением перегрева корпуса относительно окружающей сре- ды в первом приближении D t кI= 2° С;

Температура корпуса t кI, °С:

t кI = t с.макс.+ D t I, (6.1)

t кI= 35+2=37° С.

Дата добавления: 2015-07-26