Разработка структурной схемы.

Введение

За последние годы отечественная радио и электронная промышленность достигла значительных достижений в области освоения новой технологии производства радиоэлектронных средств (РЭС) в целом, в том числе с широким использованием печатных плат (ГШ) и элементов функциональной микроэлектроники. Совершенствуется технология производства за счет создания гибкого автоматизированного производства(ГАП) с максимальным внедрением роботов и других средств автоматизации в наиболее трудоёмких операциях сборки, монтажа, контроля и измерения. Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменились поколения элементной базы: дискретная электроника, электровакуумных приборов (ЭВП), интегральная электроника микросхем, функциональная интегральная электроника.

Электрические сигналы используются во всех отраслях науки и техники. В большинстве случаев значения электрических сигналов, отображающих информацию о процессах и явлениях в природе и техники, очень малы. Поэтому, чтобы воспользоваться этими сигналами, их необходимо усилить с помощью усилительных устройств.

Усилительные устройства начали применять с 1910 года, когда В.И.Коваленков предложил для усиления электрических сигналов использовать электронную лампу.

С конца 50-х годов в электронной аппаратуре стали широко использоваться транзисторы. Благодаря достоинствам транзисторов в настоящее время электронная аппаратура строится в основном на полупроводниковых приборах. На основе интегральных микросхем изготавливают сложные и высоконадёжные электронные усилители малых размеров.

Усилительные устройства в составе измерительных приборов применятся во всех отраслях народного хозяйства. С их помощью слабые электрические сигналы усиливаются, в результате чего значения этих сигналов становится остаточными приведения в действие исполнительных устройств.

Практической направленностью курсового проекта является разработка и изготовление усилителя низкой частоты.

Общая часть

1.1 Анализ технического задания.

1. Диапазон питающего напряжения данного усилителя довольно большой, он составляет- (6...18)В

2. Пиковое значение выходного тока - 3 А

3. Ток в режиме покоя - 75 мА

4. Диапазон воспроизводимых частот - 20...20000 Гц

5. Коэффициент нелинейных искажений - 1%

6. Сопротивление нагрузки (номинальное 3,2) - больше 2 Ом

7. Выходная мощность - 20 Вт

8. Коэффициент усиления - 50 дБ

9. Размеры печатной платы - 65x35 мм

10.Условие эксплуатации по ГОСТ 15150-69:

-климатическое исполнение — умеренный климат (У);

-категория условий эксплуатации — в закрытом помещении с естественной вентиляцией.

Микросхемы.

Осуществляется по следующим параметрам:

1. По функциональному назначению (аналоговые, многофункциональные, усилители, преобразователи, стабилизаторы, цифровые)

2. По рабочему диапазону частот

3. По рабочему напряжению

4. По потребляемому току

5. По температурному коэффициенту стабильности параметров

6. По возможности применить ИМС общего назначения:

а) низкая стоимость

б) широкий диапазон U_пит.

в) с защищенным входом и выходом от перенапряжений и перегрузок.

Выбранны микросхемы:

ТDА2004

Рраб =20Гц…20кГц;

Imах.=3А

защита от КЗ нагрузки;

защита от перегрева;

защита от бросков напряжения питания в диапазоне до 40 В

L7815СV

Uвх ≤ 35 В

Напряжение – выход – 15 В

Рабочая температура – 0°C ~ 125°C

Iвых = 1.5A

5. Диоды:

КД202Ж

окружающей температуре -50 ¸ +160 ⁰С;

I_{пр.ср.max}=5 А> I_пр.ср;

U_обр.max=300 B > U_обр.и.п;

I_пр.и.max= 6I_{пр.ср.max}=30 А > I_{пр.и.прибл.};

U_пр.ср=1B

 

Раздел 2. Расчётная часть

Расчет надежности

Расчет надежности изделия осуществляется на основе методики, изложенной в [2]. Исходные данные для расчета: перечень используемых компонентов, их количество, температура окружающей среды и фактическое значение параметра, определяющего надежность, приведены в таблице 1.

Расчет надежности производим в следующем порядке:

- по данным, содержащимся в технических условиях на радиокомпоненты, определяем значения параметра, определяющего надежность, а также конструктивную характеристику компонента (для транзистора – кремниевый, для конденсатора – керамический и т.д.). Эти данные вносим в таблицу 1.

Таблица 1 – Расчёт надежности изделия

Наимено- вание	Тип	Количество, n	Температура окружающей среды t, 0C	Фактическое значение параметра	Номинальное значение параметра	Конструктивная хар-ка	k	α	λ0, 1/ч	λi=α*λ0	λc=λi*n
Резистор	МЛТ-0,125			P= =0,05Вт	Pн= =0,125Вт	металло-оксиный	0,4	0,9	0,04× ×10^-6	0,036× ×10^-6	0,18× ×10^-6
Конденсатор	К50-30			U=15В	Uн=50В	электролитичес- кий	0,3	1,75	0,05× ×10^-6	0,087× ×10^-6	1,74х ×10^-7
КМ-50			U=16В	Uн=25В	электролитичес- кий	0,64	1,75	0,05× ×10^-6	0,087× ×10^-6	0,17× ×10^-6
КПК-М			U=10В	Uн=50В	керамический	0,2	0,5	0,05× ×10^-6	0,025× ×10^-6	0,15× ×10^-6
Пайка	-			-	-	-	-		0,05× ×10^-7	0,05× ×10^-7	2,35× ×10^-7
Интегральная микросхема	TDA2004			50mВт	150мВт	-	0,8		3× ×10^-6	3× ×10^-6	3× ×10^-6
L7815CV			50 мВт	150мВт	-	0,8		3× ×10^-6	3× ×10^-6	3× ×10^-6

-определяем коэффициенты нагрузки k.

1) для резисторов где P – фактическая мощность, рассеиваемая на резисторе; P_н – номинальная мощность;

2) для конденсаторов где U – фактическое напряжение, приложенное к конденсатору; U_н – номинальное напряжение конденсатора;

3) для транзисторов

4) где P_с – фактическая мощность, рассеиваемая на коллекторе;

5) P_{с max} – максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе.

- выбираем коэффициент α из справочных данных по значениям температуры окружающей среды t,0C и k.

-По таблице интенсивности отказов определяются значения λо.

-по формуле рассчитываем интенсивность отказов для компонентов каждой группы, работающих в одинаковых условиях.

-по формуле рассчитываем интенсивность отказов для каждой группы компонентов, работающих в одинаковых условиях.

-по формуле находим значение интенсивности отказа для всего функционального узла.

Интенсивность отказов разрабатываемого изделия

- определяем среднюю наработку на отказ:

- по формуле Р (tp) = е ^–λ*tp рассчитаем значение вероятности безотказной работы

Р (Tp₁=100) = е ^–λ*tp = е^{–100 *0,00000488}=0,999

Р (Tp₂=1000) = е ^–λ*tp = е^{–1000 *0,00000488}=0,993

Р (Tp₃=10000) = е ^–λ*tp = е^{–10000 *0,00000488}=0,93

Р (Tp₄=100000) = е ^–λ*tp = е^{–100000 *0,00000488}=0,5

Рисунок 3 – График зависимости вероятности P(tp) от времени работы

 

Расчет печатного монтажа

Исходными данными для расчета:

1. Напряжение вторичного источника питания: U₂ = 15В.

2. Максимально возможный ток через печатный проводник Imax⁼ 1,4 А.

3. Материал печатной платы фольгированный стеклотекстолит.

4. Методы изготовления печатной платы – химический.

5. Методы получения рисунка – офсетная печать.

6. Размер платы, например: 110 40 мм.

7. Резистивное покрытие печатных проводников – припоем ПОС-61.

При расчетах печатного монтажа определяются:

1) минимально допустимое расстояние (зазор) между двумя печатными проводниками, исходя из максимального рабочего напряжения в электрической схеме – 0,2 мм

2) минимально допустимая ширина проводника:

b_min I_max /(h_пхI_доп)=1,4/(0,2+0,005+0,005)*30=0,2 мм

I_max – максимально возможный ток через печатный проводник;

h_п = h_Ф+ h_nm + h_r - толщина печатных проводников;

h_Ф – толщина фольги;

h_nm – толщина предварительно осажденной меди;

h_r – толщина наращенной гальванической меди;

I_доп – допустимое значение плотности тока;

 

2) падение напряжения на печатном проводнике:

 

U_ПП= ρℓ ∕ (h_nb_min)=0,02*208,5/1,8*0,21=11 В

 

р – удельное сопротивление печатного проводника;

ℓ– длина проводника,мм;

b_min – минимальная ширина проводника, мм.

 

3) мощность потерь:

 

Pп = 2πfСU²_paбtgδ=6,28*(20…20000)*0,5² *0,03*130*10^-12=122,5пВт(122,5нВт)

f – рабочая частота, Гц;

U_paб – рабочее напряжение, В;

С – паразитная емкость печатной платы, пФ;

 

С = 9 ×10 ^-3 ε S_ПП ε ∕ h_п =(0,009*5*787,3 *5)/2=130 пФ

 

tgδ– тангенс угла потерь.

ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика

h_п – толщина платы, мм;

S_ПП – суммарная площадь печатных проводников, мм².

 

S_ПП = Sкпл + Sпр=412+375,3=787,3 мм ₂

 

Sкпл – площадь контактных площадок.

Sкпл= n (π R²_k - πR²_отв)=41(3,14*2,05²-3,14*1)=412

Sпp – суммарная площадь печатных проводников в виде линий.

где R_k – радиус контактной площадки, мм;

R_отв – радиус отверстия, мм;

n – количество контактных площадок.

 

Snp = bl=208,5*1,8=375,3

 

где b – ширина печатного проводника мм;

l – общая длинна печатных проводников мм;

 

При различных ширине и длине печатных проводников их объединяют для расче­та в группы одинаковых примерно размеров и рассчитывают общую площадькак сумму площадей групп:Sпp = Sпp1+ Sпp2 + Sпp3+ …

4) площадь металлизации (Sмет) состоит из суммарной площади печатных проводников (Sпп), маркировки отдельных ЭРЭ (S_мapк) и условного обозначения платы (S_yo):

S_мет = S_пп + S_мapк + S_yo=787,3+ 20+0=807,3 мм²

 

Рассчитанное значение S_мeт заносится в технические требования к чертежу пе­чатной платы (графическая часть КП).

5)паразитная поверхностная емкость между соседними проводниками рассчитывается по формуле:

 

С = К_пℓ_п ε=0,14*3=0,42

 

К_n– коэффициент, зависящий от ширины проводников и их взаимного расположе­ния;

ℓ_п – длинна взаимного перекрытия проводников, см;

ε – диэлектрическая проницаемость материала платы:ε=(ε_д+1)/2.

 

6)величина паразитной взаимоиндуктивности между двумя параллельными пе­чатными проводниками – определяется по формуле:

 

M=2ℓ(ln2l/D-1)=2*208,5*(6,03/2,5) =1,005 мкГн

 

М – взаимоиндукция в нГн;

ln – натуральный логарифм;

ℓ– длина проводников, см;

D = d + b — расстояние между центрами (осями) проводников, см.

 

Конструкторская часть

Рисунок 4 – Структура кода ПЗ КП

 

Обозначение проектируемому изделию присваивают, каждое только одному изделию (документу) в соответствии с классификатором ЕСКД по ГОСТ 2.201-80.

Первые две цифры кода обозначают класс изделия в соответствии с классификатором ЕСКД.

«46» – средства радиоэлектронные управления, связи, навигации и вычислительной техники

Третья цифра - подкласс изделия;

«8» – Составные части функциональные формирования и обработки сигналов, контроля, техни­ческой диагностики, сигнализации, защиты, отражатели защитные, управления, коммутации, сопряжения, образования видеосигнала, развертывающие, отклоняющие, фокусирующие, кор­релирующие, антеннофидерного тракта, телеграфных, телефонных средств, усилители, ге­нераторы, задержки электрического сигнала, фильтры.

Четвертая цифра - группа изделия:

«7» – Усилители, генераторы. Задержки электрического сигнала

Пятая цифра - подгруппа:

«1» – усилители с часто­той сигналов от 10-го диапазона

Шестая цифра – вид:

«9» – прочие

Порядковый регистрационный номер присваивают в пределах цифр от 001 до 999, для изделия, спроектированного в КП – 062.

Шифр (код) документа дополнительно вводится в обозначение не основных конструкторских документов и не должен содержать более четырёх знаков, включая номер части документа.

1) БГПК. 390202. Р34КП ПЗ – для пояснительной записки КП;

2) БГПК. 468719. 062 КП Э1 – для схемы электрической структурной;

4) БГПК. 468719. 062 КП Э3 – для схемы электрической принципиальной;

5) БГПК. 468719. 062 ПЭ3 – для перечня элементов;

Материалы для печатных плат

Материалами для печатных плат могут служить фольгированные текстолиты, стеклотекстолиты и гетинаксы. Выбор материала для печатной платы производится по ГОСТ 21931-76 «Материалы электроизоляционные, фольгированные для печатных плат».

В качестве материала для печатной платы используется, односторонний фольгированный стеклотекстолит марки СТФ-1-35Г, имеющий следующие параметры:

а) Удельное объемное сопротивление r= 1,0*10⁹Ом*м,

б) Тангенс угла диэлектрических потерь d ≤ 0.03,

в) Прочность сцепления фольги с основанием y= 10 ^Н/см².

Выбранный материал обладает достаточной механической прочностью и хорошими изоляционными свойствами.

Материалом-заменителем может служить стеклотекстолит СТФ-2-35Г.

Материалы для выполнения электромонтажных работ

Для выполнения электромонтажных работ применяются:

а) Припой ПОС-61 ГОСТ 2.62460-89, содержащий 61 % – олова, остальное - свинец, имеющий температуру плавления 190°С и предназначенный для пайки деталей, когда недопустим или нежелателен высокий нагрев в зоне пайки, а также, когда требу­ется повышенная механическая прочность.

б) Флюсы. Для очистки поверхности печатных проводников от окислов при пайке применяется флюс спирто-канифольный ЛТИ-120, содержащий от 15 до 28 % канифоли, остальное - этиловый спирт. Флюс ЛТИ-120 применяется при пайке меди, латуни, бронзы во время электромонтажных работ мягкими и легкоплавкими припоями, удобен для переноса в труднодоступные места. Материалом-заменителем служит флюс ЛТИ–1.

в) Спирто-нефрасовые (нефрас – нефтяной растворитель) смеси. Для удаления остатков флюса места пайки протирают хлопчатобумажной тканью, смоченной спиртом или спирто-нефрасовой смесью (в пропорции 1:1).

г) Монтажные провода. Для межблочных соединений применяют монтажные провода марок:

1) Провод МГ–13 с номинальным сечением жилы 0,2 мм², работающий при тем­пературах от минус 60°С до плюс 70°С и относительной влажности менее 98 %, и напряжении менее 220В.

Мероприятия по охране труда

1. Организация работы по охране труда на производстве (на участке, в цехе, в ла­боратории или другом структурном подразделении).

2. Правовое обеспечение безопасности труда.

3. Действующая система льгот и компенсации в радиоэлектронном производстве.

4. Правовое обеспечение охраны труда женщин и молодежи.

5. Надзор и контроль над охраной труда на предприятиях радиоэлектронной промышленности.

6. Разработка внутренней планировки помещения.

7. Оптимизация цветосочетаний как фактор безопасности труда и психофизиологического комфорта.

8. Оценка электроопасности при обслуживании проектируемого объекта и ее устранение.

9. Обеспечение электробезопасности при эксплуатации передвижного радиоэлектронного комплекса.

10. Защита от статического электричества.

11. Выбор принципиальной схемы и расчет защитного отключения.

12. Обоснование и расчет защитного заземления.

13. Расчет зануления как защитной меры от поражения электрическим током.

14. Конструктивные решения по обеспечению электробезопасности проектируемого объекта и организация его безопасной эксплуатации.

15. Обеспечение электробезопасности на участке эксплуатации (сборки, наладки, испытаний) проектируемого устройства (питающих устройств, технологического оборудова­ния по изготовлению отдельных элементов разработанной аппаратуры).

16. Разработка мероприятий по нормализации условий труда работников гальванического цеха.

17. Оздоровление воздушной среды при изготовлении, монтаже, наладке, испытании и эксплуатации проектируемого объекта.

18. Проектирование местного вентиляционного отсоса от рабочих мест или оборудования с токсичными выделениями.

19. Нормализация микроклимата в производственном помещении (операторском пункте, участке сборки, машинном зале ЭВМ и т.д.)

20. Расчет шумозащиты для создания благоприятных акустических условий труда.

21. Конструктивные решения по обеспечению защиты от шума и виброзащиты проектируемого объекта.

22. Расчет виброзащиты для безопасной эксплуатации проектируемого объекта при производстве испытаний и проведении сборочно-наладочных работ.

23. Защита от ультразвука при эксплуатации (испытании, изготовлении) проектируемого объекта или технологического оборудования.

24. Инженерно-психологическое проектирование системы «ЧЕЛОВЕК - ЭВМ - СРЕДА».

25. Эргономические решения по созданию комфортных условий труда.

26. Инженерно-психологические требования к организации обслуживания радиоэлектронной аппаратуры.

27. Оптимизация индикаторных устройств с учетом требований охраны труда.

28. Эргономическое обоснование организации места оператора.

29. Безопасность труда при обслуживании индикаторного устройства на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ).

30. Разработка защитных мер от воздействия электромагнитных излучений при эксплуатации проектируемой радиоэлектронной аппаратуры.

31. Конструктивно-технологические и организационные меры защиты от лазерных излучений.

32. Расчет защиты от рентгеновского излучения, сопутствующего работе проектируемого изделия.

33. Обоснование и расчет естественного освещения.

34. Проектирование и расчет системы искусственного освещения.

35. Разработка системы предотвращения пожаров при эксплуатации проектируемого объекта.

36. Разработка пожарной защиты проектируемого объекта.

37. Обеспечение пожарной безопасности машинного зала ЭВМ (производственного зала, лаборатории).

Экспериментальная часть

Рисунок 4 - Структурная схема измерения

В результате можно увидеть следующие осциллограммы:

Сигнал на входе усилителя:

Сигнал на выходе усилителя:

Изменяя частоту входного сигнала, сняли АЧХ усилителя:

На основании снятой АЧХ можно сделать вывод, что данный усилитель имеет неплохую АЧХ, что даёт возможность широко применять устройство,

как усилитель низких частот.

Заключение

В ходе проведенных работ был разработан, собран и исследован усилитель мощности низкой частоты монофонический. Были получены навыки в выборе элементной базы, разработке структурной и принципиальной схем. Электрорадиоэлементы были выбраны для обеспечения надежной работы каждого узла. При этом были использованы элементы, имеющее широкое применение, требующие простоту сборки, минимальную стоимость и др. Был принят во внимание вопрос о

применении блока питания. Оказалось, что разработанное устройство имеет очень широкую область применения.

Приобретены навыки пользования контрольно-измерительной аппаратурой при работе с электронными устройствами. Закреплены навыки пользования осциллографом, универсальным комбинированным прибором, низкочастотным генератором сигналов и что немаловажно, были приобретены навыки использования этих приборов не только для измерений, но и для восстановления работоспособности и настройки данного прибора.

В последнем разделе основное внимание обращалось на конструкцию

усилителя мощности низкой частоты (правила сборки и её особенности).

Одной из главных задач являлось проверка работоспособности устройства.
Список использованных источников

1. Гольцев, В.Р. Электронные усилители/В.Р.Гольцев [и др.]. М, 1990

2. Доброневский, О.В. Справочник по радиолектронике/О.В.Доброневский. К., 1978

3. Попов, В.С. Начинающему радиолюбителю/В.И.Галкин. Мн.,1994

4. Шангин, Б.Н. Монтаж радиоэлектронной аппаратуры и приборов/Б.Н.Шангин, В.Д.Богун. Мн., 1999

Введение

За последние годы отечественная радио и электронная промышленность достигла значительных достижений в области освоения новой технологии производства радиоэлектронных средств (РЭС) в целом, в том числе с широким использованием печатных плат (ГШ) и элементов функциональной микроэлектроники. Совершенствуется технология производства за счет создания гибкого автоматизированного производства(ГАП) с максимальным внедрением роботов и других средств автоматизации в наиболее трудоёмких операциях сборки, монтажа, контроля и измерения. Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменились поколения элементной базы: дискретная электроника, электровакуумных приборов (ЭВП), интегральная электроника микросхем, функциональная интегральная электроника.

Электрические сигналы используются во всех отраслях науки и техники. В большинстве случаев значения электрических сигналов, отображающих информацию о процессах и явлениях в природе и техники, очень малы. Поэтому, чтобы воспользоваться этими сигналами, их необходимо усилить с помощью усилительных устройств.

Усилительные устройства начали применять с 1910 года, когда В.И.Коваленков предложил для усиления электрических сигналов использовать электронную лампу.

С конца 50-х годов в электронной аппаратуре стали широко использоваться транзисторы. Благодаря достоинствам транзисторов в настоящее время электронная аппаратура строится в основном на полупроводниковых приборах. На основе интегральных микросхем изготавливают сложные и высоконадёжные электронные усилители малых размеров.

Усилительные устройства в составе измерительных приборов применятся во всех отраслях народного хозяйства. С их помощью слабые электрические сигналы усиливаются, в результате чего значения этих сигналов становится остаточными приведения в действие исполнительных устройств.

Практической направленностью курсового проекта является разработка и изготовление усилителя низкой частоты.

Общая часть

1.1 Анализ технического задания.

1. Диапазон питающего напряжения данного усилителя довольно большой, он составляет- (6...18)В

2. Пиковое значение выходного тока - 3 А

3. Ток в режиме покоя - 75 мА

4. Диапазон воспроизводимых частот - 20...20000 Гц

5. Коэффициент нелинейных искажений - 1%

6. Сопротивление нагрузки (номинальное 3,2) - больше 2 Ом

7. Выходная мощность - 20 Вт

8. Коэффициент усиления - 50 дБ

9. Размеры печатной платы - 65x35 мм

10.Условие эксплуатации по ГОСТ 15150-69:

-климатическое исполнение — умеренный климат (У);

-категория условий эксплуатации — в закрытом помещении с естественной вентиляцией.

Разработка структурной схемы.

Разработка структурной схемы производится тремя методами: 1). Эвристический—основан на накопленном опыте, анализе технической литературы и интуитивных соображений. На основании их анализа создается несколько моделей структурных схем, из них выбирается одна, самая надежная, самая простая, самая дешевая.

2) Математический метод—на основе исходных данных создаётся модель — математическое описание внешних воздействий. Проводится анализ модели, в которую входит математический расчёт, моделирование на ЭВМ, испытание макетов. Выбирается модель спроектированного устройства, имеющая оптимальные показатели качества.

3) Метод функционального наращивания—на основе исходных данных составляется перечень разрабатываемого устройства. В соответствии с функциями приводится перечень устройств реализующих эти функции и строится структурная схема.

Применительно к представляет собой радиоэлектронным прямоугольники с

средствам структурная схема названиями структурных частей устройства и стрелок—линии связи, показывающих прохождение сигналов.

Для получения характеристик, заданных в техническом задании, необходимо иметь структурную часть, выполняющую функцию предварительного усилителя, усиливающего входной сигнал по напряжению. Второй структурной единицей необходимо иметь усилитель по мощности - выходной каскад.

Разработанная структурная схема приведена на рисунке 1.

Используем для разработки метод функционального наращивания.

Особенности основной надписи в чертеже схемы электрической структурной: конструкторский код изделия имеет следующий вид: