Содержание

ВВЕДЕНИЕ	3
1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ	4
2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ. ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ	5
2.1 Описание и анализ работы электрической схемы	5
2.2 Оценка элементной базы	8
3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭУ	10
3.1 Определение габаритов печатной платы	10
3.2 Объёмно-компоновочный расчёт	12
4. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЁТЫ	14
4.1 Расчёт печатного монтажа	14
4.2 Конструктивно-технологический расчёт	15
4.3 Расчет электрических параметров печатной платы	18
4.4Расчет теплового режима	19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	21
Список ЛИТЕРАТУРЫ	22

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового проекта является систематизация, расширение и закрепление теоретических знаний в области конструирования РЭА, углубленное изучение одного из направлений радиотехники, развитие конструкторских и расчетных навыков. Кроме этого, курсовой проект должен решать комплексную задачу, включающую анализ и обоснование основных элементов и узлов проектируемого РЭУ, разработку конструкции, обоснование принятых технических решений.

Цель данной конструкторской разработки состоит в проектировании переключателя трех гирлянд. Переключатель позволяет по­лучить эффекты "бегущие огни", "бегу­щая тень" и "накапливающееся" включение - выключение гирлянд. Повторившись несколько раз, один эффект сменя­ется другим. Направление переключе­ния гирлянд также периодически изме­няется на противоположное. В устройст­ве применен редко используемый способ получения упомянутых эффектов.

1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Наименование изделия:

Переключатель трех гирлянд

2. Состав изделия:

Устройство должно состоять из двух модулей — основного модуля и модуля питания.

1.3 Технические требования:

Изделие предназначено для работы в диапазоне температур -20°С…+60°С и относительной влажности 50-90% и атмосферном давлении 600-850 мм. рт.ст.

Транспортирование осуществляется любыми видами транспорта в упакованном виде.

По степени защиты от влаги изделие относиться к приборам обычного исполнения (ГОСТ 14087-80).

Хранить изделие при температуре не ниже -5 в закрытых помещениях.

Разработанное изделие предназначено для использования по IV категории условий эксплуатации (закрытые, отапливаемые и вентилируемые помещения).

1.4 Требования надежности:

Наработка на отказ 10-15 тыс. часов

Интенсивность отказов 10^-6-10^-9 ч^-1.

Долговечность - 10 лет

Гарантийный срок - 1 год

1.5 Конструктивные требования.

Использовать интегральную и дискретную элементную базу.

Форма и размеры конструкции определить в процессе проектирования.

Использовать печатный и объемный монтаж.

Органы коммутации вынести на панель.

Цвет любой.

Устройство выполнить в пластмассовом корпусе.

При монтаже использовать печатный и объемный монтаж.

Органы управления и индикации вывести на лицевую панель.

6. Ориентировочная номенклатура конструкторской документации.

Переключатель трех гирлянд.

Схема электрическая принципиальная – А2.

Печатная плата – А2

Печатный узел – А2

Печатная плата. Сборочный чертеж – А2.

Сборочный чертеж изделия – А2.

Пояснительная записка – А4.

Перечень элементов – А4.

Спецификация на сборочный чертеж ПП – А4.

Спецификация на сборочный чертеж изделия – А4.

Таблица соединений– А4.

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

2.1 Описание и анализ работы электрической схемы

На мультиплексоре DD1.1 и транзис­торе VT1 собран задающий генератор. Частоту вырабатываемых им импульсов можно плавно изменять переменным ре­зистором R2 в широких пределах. Пост­роение генератора на одном из мульти­плексоров микросхемы DD1 позволило сократить общее число корпусов микро­схем. Информационные входы мульти­плексора DD1.1 соединены вместе, по­этому при любых сигналах на адресном входе он работает как повторитель.

Сигнал с выхода задающего генератора поступает на делитель частоты на три, выполненный на триггерах DD2.1 и DD2.2. Скважность сигнала на выходе триггера DD2.1 равна 3/2, а на выходе триггера DD2.2 - 3. К одному из выходов делителя частоты подключен восьми­разрядный счетчик, собранный на мик­росхеме DD3.

На микросхеме DD4 построен трехразрядный реверсивный регистр сдвига. Роль информационного входа регистра играют соединенные вместе входы D0 и D3. При низком логическом уровне на входе EL происходит сдвиг информации вправо, а при высоком - влево. От уров­ня напряжения на этом входе зависит направление переключения гирлянд. На объединенные тактовые входы С1 и С2 поступают импульсы с задающего гене­ратора.

Последовательность импульсов, по­ступающая на вход регистра, формиру­ется с помощью мультиплексора DD1.2. Если на адресный вход подан код 0, на вход регистра DD4 поступают импульсы высокого уровня со скважностью 3/2, их частота в три раза меньше частоты за­дающего генератора. При этом последо­вательность зажигания гирлянд соот­ветствует эффекту "бегущие огни'. Ког­да на адресном входе присутствует код 2, на выходе мультиплексора появляются импульсы скважности 3. В этом случае образуется эффект "бегущая тень'. Если же не адресном входе код 1 или 3, на вход мультиплексора поступает сигнал с выхода первого разряда счетчика DD3.1 Сигнал имеет форму меандра, а частота импульсов в шесть раз меньше частоты задающего генератора. Такая последовательность импульсов необходима для получения "накапливающегося" включения- выключения гирлянд.

Автоматическая смена эффектов и направления переключения гирлянд происходит благодаря тому, что адресные входы мультиплексора DD1.2, а так­же управляющий вход EL регистра DD4 подключены к старшим разрядам счетчика на микросхеме DD3.

При включении питания в регистре DD4 оказывается случайная информа­ция, однако предварительной установки его не требуется, поскольку в течении трех первых периодов генератора эта информация "выталкивается' из регистра.

На транзисторах VT2-VT4 и тринисторах VS1-VS3 собраны электронные ключи управляющие гирляндами, включенными в розетки X2- X4.

В блок питания устройства входят по­нижающий сетевой трансформатор Т1, выпрямительные мосты VD1 и VD2 и стабилизатор на микросхеме DA1.

2.2 Оценка элементной базы

Используемая элементная база широко применяется в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями, а также имеет много отечественных и зарубежных аналогов, что повышает ремонтопригодность изделия.

2.2.1 Микросхемы. В разрабатываемом устройстве применяются цифровые микросхемы серий К155, K555, КР1533, КР142.

Микросхема К155ИР1 представляет собой четырехразрядный сдвиговый регистр. Корпус типа 201.16-1, масса не более 1г.

Микросхемы K555ИЕ19, КР1533КП2, КР1533ТМ2 упакованы в корпус 201.14-1.

Микросхема KР142ЕН5А представляет собой мощный стабилизатор напряжения с фиксированными выходными параметрами положительной полярности 5 и 6В и током нагрузки 2 и 3А. Микросхема KР142ЕН5А содержит 39 интегральных элементов, упакована в корпус типа КТ-28-2, масса не более 2,5г.

2.2.2 Элементы сопротивления. В качестве распределителей электрической энергии между цепями и элементами схемы проектируемого устройства применены металлопленочные резисторы общего назначения типа МЛТ-0.125 постоянного сопротивления, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью, теплостойкие, с повышенной механической прочностью, защищены эмалью.

Минимальная наработка - 20 000 ч. Срок сохраняемости - 15 лет. Диапазон рабочих температур -60...+125°С. Максимальная допускаемая влажность при работе до 98% при t=40°C. Максимальная мощность рассеяния 0,125 Вт при t_{окр.среды}= +70° С.

Диапазон рабочих температур - 60...+125°С.

В разрабатываемом устройстве применяется подстроечный резистор типа СП3-16в со стопорением вала, однооборотный с круговым перемещением подвижной системы.

Параметры подстроечного резистора:

• диапазон сопротивлений Ом

• температурный коэффициент сопротивления ±1000×10^-61/^оС

• сопротивление изоляции 10000Мом

• уровень собственных шумов, не более 15%

• температура окружающей среды -60^оС…+125^оС

• износоустойчивость, циклов 500

• минимальная наработка 15 000ч

• масса, не более 5,5г

2.2.3 Элементы емкости. В качестве оксидных конденсаторов используются оксидные конденсаторы типа К50-6.

Электролитический полярный конденсатор типа К50-6 предназначен для работы в цепях постоянного, импульсного и пульсирующего токов. Конденсатор выпускается в цилиндрическом металлическом корпусе.

- Диапазон рабочих температур -10...+85 °С.

- Срок сохраняемости 12лет.

2.2.4 Транзисторы. Транзисторы КТ315Б - кремниевые, эпитаксиально-планарные, структуры n-p-n, универсальные, применяются в низкочастотных устройствах с малым уровнем шумов, переключающих, усилительных и генераторных устройствах средней и высокой частоты, у которых:

- постоянная рассеиваемая мощность, мВт 150;

• температура окружающей среды, °С -40...+85;

• масса, г 0,18.

2.2.5 Диодный мост. В разрабатываемом устройстве применяются диодные мосты КЦ405И, представляющие собой блоки из кремниевых диффузионных диодов. Выпускаются в пластмассовых корпусах с жесткими выводами.

- обратное напряжение, В 500;

• средний выпрямленный ток на частоте fкГц, мА 600;

• температура окружающей среды, °С -40...+85.

2.2.6 Тиристор. Тиристоры КУ201К – кремниевые ппланарно-диффузионныые, структуры p-n-p-n, триодные, незапираемые. Предназначены в качестве ключей средней мощности. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жесткими выводами. Масса тиристора не более 18г.

- обратное напряжение, В 300;

• средний прямой ток, А 2;

• напряжение на управляющем электроде, В 10;

• рассеиваемая мощность, Вт 4;

• температура окружающей среды, °С -60...+85.

2.2.7 Светодиод. Светодиод АЛ307А маркируется одной точкой. Масса не более 0,25г.

• Сила света при I_пр=10мА, не менее 0,15мкд;

• постоянный прямой ток:

при Т= -60^оС…+70^оС 20мА;

- обратное напряжение 2В;

- температура окружающей среды Т= -60^оС…+70^оС.

2.2.8 Понижающий трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 7-10 В при токе нагрузки не менее 300 мА.

2.2.9 Тумблер ТВ 2-1 - малогабаритный тумблер, предназначен для использования в цепях постоянного и переменного тока, используется при конструировании любой радиоэлектронной аппаратуры.

Технические характеристики:

Сопротивление изоляции, Мом не менее:

• при нормальных климатических условиях 1000

• в условиях повышенной влажности 100

Эл.прочность изоляции при нормальных климатичеких условиях, В 1500

Сопротивление эл. Контактов, Ом, не более: 0,01

Масса, г. : 23

Условия эксплуатации:

Температура окружающей среды от –60 до +70°С.

Относительная влажность до 98% при температуре до +35°С.

Атмосферное давление от 2 до 104 кПа.

2.2.10 Гнездо РП1500 выполняется по ОСТ 16.0.506.006-77. Корпус выполнен из пластмассы. Способ крепления к несущей шасси - пара винтов.

Таблица 1 - Основные конструктивные параметры элементной базы

Наименование элемента	Обозначение на схеме	Вариант установки	Площадь одного элемента, мм^2	Количество элементов	Общая площадь, мм^2	Диапазон температур, °С
Микросхемы: КР142ЕН5А КР1533КП2 КР1533ТМ2 К555ИЕ19 К155ИР1	DА1 DD1 DD2 DD3 DD4	VI-в VIII-a VIII-a VIII-a VIII-a	237,5 153,6 156 156 156	1 1 1 1 1	237,5 153,6 156 156 156	-45…+100
Резисторы: МЛТ-0,125 СП3-16в	R1, R3- R15 R2	II-а	24 110	14 1	336 110	-60…+125
Конденсаторы: К50-6	С1 С2 С3	II-в II-в II-в	95 214 363	1 1 1	95 214 363	-60…+125
Диодные мосты: КЦ405И	VD1, VD2		484	2	968	-40…+85
Транзисторы: КТ315Б	VT1-VT4	II-в	21,6	4	86,4	-50…+60
Тиристоры: КУ201К	VS1-VS3		363	3	1089	-60…+85

Таким образом, с учетом выбранной элементной базы диапазон рабочих температур устройства составит –40...+60°С, что соответствует техническому заданию.

3. Разработка конструкции рэу

3.1 Расчет габаритов основной печатной платы и платы питания

Общую площадь печатной платы найдем, используя следующую формулу:

, где

- площадь, необходимая для установки микросхем DD1-DD4 на печатную плату;

- площадь, необходимая для установки резисторов на печатную плату;

- площадь, необходимая для установки тиристоров на печатную плату;

- площадь, необходимая для установки транзисторов на печатную плату;

- площадь, необходимая для установки конденсатора C1 на печатную плату.

Тогда общая площадь занимаемая ЭРЭ равна:

2337 мм².

Площадь печатной платы получим, учитывая коэффициент заполнения площади печатной платы:

3895 мм².

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы и был выбран следующий: 8080 мм по ГОСТ 10317-79.

Общую площадь платы питания найдем, используя следующую формулу:

, где

- площадь, необходимая для установки микросхемы DА1 на печатную плату;

- площадь, необходимая для установки диодных мостов VD1, VD2 на печатную плату;

- площадь, необходимая для установки конденсаторов C2, C3 на печатную плату.

Тогда общая площадь занимаемая ЭРЭ равна:

1784 мм².

Площадь печатной платы получим, учитывая коэффициент заполнения площади печатной платы:

2973мм².

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы и был выбран следующий: 5060 мм по ГОСТ 10317-79.

3. Разработка конструкции рэу

3.1 Расчет габаритов печатной платы

Рассчитаем суммарную установочную площадь элементов. Площадь занимаемая резисторами:

Аналогично рассчитаем площадь занимаемую микросхемами:

мм²; Площадь занимаемая диодами:

14*(2,7*8)=302,4 мм²;

Площадь занимаемая транзисторами:

2*(8*3)+(12*7,8)= 141,6мм²;

Площадь занимаемая конденсаторами:

9*(17*6)+(13*36) =1386 мм²

Площадь занимаемая кварцевым резонатором

16,2*5,6=90,72 мм²

Тогда суммарная площадь занимаемая ЭРЭ равна : 4445,22 мм².

Площадь печатной платы с учетом коэффициента заполнения печатной платы равного 0,6 равна 6400 мм². Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы, но выбран размер 80 х 80 по ГОСТ10317-79.

3.2. Объемно-компоновочный расчет

Для определения объема разрабатываемого устройства необходимо объемы внутренней аппаратуры.

Для определения объема платы необходимо знать высоту самого высокого элемента, которая определяется с учетом превышения его над плоскостью платы. Для основной ПП она равна 39,5мм (Тиристор КУ201К).

Объем печатной платы ПП:

V= 808039,5 = 252800 мм³.

Для платы питания она равна 49 мм (Конденсатор К50-6-16В-1000мкФ).

Объем платы питания:

V_п= 506049 = 147000 мм³.

Объем трансформатора :

V_тр= 603035 = 63000 мм³.

Объем розеток(3шт) :

V_р= (381827,7) = 56840,4 мм³.

Объем светодиода :

V_св= ø6,420 = 643 мм³.

Объем, занимаемый внутренней аппаратурой:

V_ап= V+ V_п + V_тр + V_р + V_св= 534003,4

Сравнение вариантов компоновки блоков.

Для выбора рациональной компоновки блока переключателя трех гирлянд рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением внутренней аппаратуры.

Рациональная форма блока определяется по трем параметрам:

1. приведенная площадь наружной поверхности;

2. коэффициент приведенных площадей;

3. коэффициент заполнения объема.

По полученным габаритным размерам внутренней аппаратуры в зависимости от ее размещения определяем габаритные размеры рассматриваемых двух вариантов корпусов, которые представлены на рисунках 1,а и 1,б (Приложение А). Тогда с учетом зазоров между внутренними компонентами, и стенками корпуса, получим габаритные размеры корпусов обоих вариантов компоновки.

Размеры блока для первого варианта: длина A₁ = 155 мм, ширина В₁ = 125 мм и высота H₁ = 60 мм.

Размеры блока для второго варианта: длина А₂ = 95 мм, ширина В₂ = 125 мм и высота Н₂ = 105 мм.

Определяем полный объем первого (рисунок 1, а) и второго (рисунок 1, б) вариантов:

V₁ = А1В1Н₁ = 15512560 = 1162500мм³;

V₂ = A₂B₂H₂ = 95125105 = 1246875мм³.

Площади поверхностей вариантов компоновки блока

S₁ = 2 (A₁B₁+B₁H₁+A₁H₁);

S₁ = 2 (155125+12560+15560) = 72350 мм²;

S₂ = 2 (A₂B₂+B₂H₂+A₂H₂);

S₂ = 2(95125+125105+95105) = 69950 мм².

1. Приведенная площадь наружной поверхности

2. Коэффициент приведенных площадей

Составим отношение:

то есть, второй вариант блока наиболее оптимален по площади

наружной поверхности.

3) Коэффициент заполнения объема.

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока больше в 1,1 раза, чем для первого варианта. Следовательно, во втором варианте объем используется более эффективно.

В качестве исходной компоновки блока выбираем первый вариант, т.к. он отличается простотой, высокой технологичностью и ремонтопригодностью и имеет больший коэффициент заполнения объёма по сравнению с первым вариантом.