Разработка схемы электрической принципиальной

Задача разработки электрической схемы проектируемого устройства является выбор и обоснование принципиальных схем каскадов для реализации структурной схемы.

Вначале производится анализ известных схемных решений проектируемого каскада, производится схема одного из них. И на основе анализа исходных данных и принятой структурной схемы выбирается наиболее подходящая электрическая схема. Критерии выбора: простота, надёжность, дешевизна при выполнении заданных требований. Она может быть дополнена, усовершенствована новыми схемными решениями.

Источник питания для данной схемы будет состоять из следующих элементов:

1. Устройство, понижающее напряжение;

2. Выпрямитель;

3. Фильтр;

4. Стабилизатор;

Для реализации понижения напряжения был применён однофазный двух обмоточный трансформатор

Для выпрямления переменного напряжения применялась мостовая схема выпрямления.

Преимущества данной схемы:

- Возможность работы без трансформатора.

- Меньше размеры и масса используемого трансформатора

- проще схема используемого трансформатора, так как не требуется делать вывод средней точки.

- Значение выпрямленного напряжения соответствует напряжению сети

- Цепь нагрузки не исключает электрической связи с сетью переменного тока.

Недостатки:

-Увеличенная стоимость из-за применения четырех диодов

-Увеличенные потери напряжения и мощности в схеме, из-за увеличенных внутренних сопротивлений.

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения применялся емкостной фильтр, который применяют преимущественно в маломощных выпрямителях.

К достоинству емкостного фильтра можно отнести простоту его выполнения. Основным недостатком емкостного фильтра- необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока I_пр.и.п.

В схеме самого усилителя конденсатор С6 является разделительным, т.е. исключает влияние обратной связи между устройствами, которая нежелательна для нормальной работы усилителя.

Интегральная микросхема являются главным элементом в усилителе. В ней происходит как предварительное усиление, так и выходное усиление. Остальные элементы служат вспомогательными, т.е. играют роль фильтров и задают необходимый режим работы микросхемы.

1.4 Выбор элементной базы.

Выбор элементной базы должен быть сделан так, чтобы обеспечить надёжную работу изделия. Она зависит от:

1). Надёжности комплектующих.

2). Правильности размещения электрорадиоэлементов особенно теплонагруженных в конструкции изделия.

3). Качество изготовления изделия:

а) качество покупных комплектующих изделий (ЭРЭ)

б) качество оригинальных (сделанных самим изготовителем ЭРЭ)

в) качество пайки

4). Минимальность электрических нагрузок.

5). Соблюдение правил эксплуатации.

1. Выбор резисторов:

1. По величине рассеваемой мощности

2. По типу проводящего слоя - непроволочные, проволочные (подстрочные).

3. По максимальному рабочему напряжению (например, МЛТ - 1 Вт

имеютUрабmах <750 В).

4. По классу точности:

5. По температурному коэффициенту сопротивления. Выбраны резисторы:

R1 = 0,25 -МЛТ-470 Ом ± 1%-А;

R2 = 0,25 -МЛТ-10 кОм ± 1%-А;

R3=0,25 - МЛТ-22 Ом ± 2%-А;

R4=0,25 - МЛТ-22 Ом ± 2%-А;

2. Выбор конденсаторов:

1. По номинальному напряжению: Uном (1.3-1.5) U_раб, которое должно быть в 1.5 раза большим рабочего напряжения с учётом переменной составляющей.

2. По классу точности.

3. По температурному коэффициенту ёмкости (ТКЕ). Выбраны конденсаторы:

С1= 4700 мкФ 50В

С2 = 0,1мкФ

С3 = 1000 пФ

С4 = 0,1мкФ

С5,С6 = 10 мкФ 25В

С7 = 470 мкФ 25В

С8,С9,С10 = 0,1 мкФ

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