Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
курсовой проект / ИГРОВОЙ АВТОМАТ «ПАДАЮЩАЯ ЗВЕЗДА» / ИГРОВОЙ АВТОМАТ «ПАДАЮЩАЯ ЗВЕЗДА».doc
Скачиваний:
47
Добавлен:
21.02.2014
Размер:
505.34 Кб
Скачать

2.3.2 Резисторы

Постоянные резисторы МЛТ металлоплёночные лакированные теплостойкие, характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью, пределы мощностью 0,125 Вт, предельное рабочее напряжение от 350 В до 750 В, величина номинальных сопротивлений от 8.2 Ом до 10 МОм с допуском 5%, ТКС ±(7-16)*10-4 1/С0, диапазон температур -60...+125 0С. Установочная площадь 58,75 мм2.[6]

СП5-3 – подстроечный одинарный многооборотный резистор с круговым перемещением подвижной системы, предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Температурный режим (предельный) от -60 до +1550С. Закрепляется на плате с помощью двух винтов. Установочная площадь 240 мм2.[6]

2.3.3 Конденсаторы

Полярные конденсаторы К50-6 электролитические алюминиевые фольговые, пределы рабочих температур от -40 до 70 0С. Характеризуются высокими электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Область применения: в видеоусилителях, модуляторах, блокинг-генераторах, мультивибраторах, линиях формирования импульсов, цепях питания. Установочная площадь 81мм2 (для C1, 10мкФ) и 225мм2 (для С2, 100мкФ).[6]

2.3.4 Органы индикации

Светодиод АЛ307Б – светоизлучающий диод арсенид-галлий-алюминеевый в пластмассовом корпусе красного цвета свечения. Сила света при Iпр=10 мА составляет 0,9 мкД. Постоянное прямое напряжение 2 В. Температура среды от -50 до 70 0С. Установочная площадь 12,3мм2 [7]

2.3.5 Полупроводниковые элементы

Д9А – германиевый выпрямительный диод малой мощности. Величина обратного напряжения до 10В. Величина обратного тока – 800мкА. Максимально допустимый ток – 20мА. Температурна среды от -60 до 70 0С. Установочная площадь 110мм2[7]

2.3.6 Органы коммутации

Кнопка однополюсная КМ1-1.

Максимальное рабочее напряжение, В 30

Сопротивление, Ом 0.05

Сила тока, А 3

Мощность коммутации, Вт 70

Стойкость, тыс. включений 10

Диапазон температур -30...+90 С

Соединительная приборная розетка РП1500. Розетка имеет 2 рабочих Контакта. Напряжение до 250В и сила тока до 10А.

Наименование элемента

Кол-во

Конструктивные параметры

Вариант установки

Установочная

площадь, мм2

Диапазон температур, С

Микросхемы:

К155ЛН1

К155АГ3

К155ТМ2

К155ЛА4

К155ИЕ5

К155ИД3

1

1

2

1

1

2

VIII-a

VIII-a

VIII-a

VIII-a

VIII-a

VIII-a

173

190

173

173

173

508

0…+70

-10…+70

-10…+70

-10…+70

-10…+70

-10…+70

Резисторы:

МЛТ-0,125

СП5-3

30

2

II-а

I-а

59

240

-60…+125

-60…+155

Конденсаторы:

К50-6 10 мкФ

К50-6 100 мкФ

1

1

II-в

II-в

81

225

-40...+70

-40...+70

Диоды:

Д9А

1

II-а

110

-60…+70

В результате оценки элементной базы были установлены параметры ЭРЭ для платы А1, которые сведены в таблицу №1.

Таблица №1 – Основные конструктивные параметры элементной базы А1

Параметры элементов, устанавливаемых на печатной плате А2 модуля индикации, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные конструктивные параметры элементной базы А2

Наименование элемента

Кол-во

Конструктивные параметры

Вариант установки

Установочная

площадь, мм2

Диапазон температур, С

Светодиод:

АЛ307Б

24

II-в

12,3

-30…+70

Анализируя условия эксплуатации на использование элементной базы, можно сделать вывод, что устройство можно эксплуатировать в диапазоне рабочих температур 0...+70 0 С.

3 Разработка конструкции Устройства

3.1 Предварительная разработка конструкции

При разработке конструкции устройства были учтены технические требования, заданные на разработку автомата “Падающая звезда”. Объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭА. Элементы управления и индикации должны располагаться с учетом эргономики устройства.

В данном пункте рассматривается два возможных вариантов компоновки устройства, отличающихся расположением печатных плат, органов коммутации и управления. При этом рациональная форма блока определяется по трем параметрам:

– приведенная площадь наружной поверхности;

– коэффициент приведенных площадей;

– коэффициент заполнения объема.

Первый вариант устройства (рисунок 2) – блок в виде параллелепипеда, отличается высокой механической прочностью и рациональностью размещения деталей. Второй вариант устройства (рисунок 3) в корпусе, отличающемся удобностью в процессе эксплуатации (игры), поскольку передняя индикаторная панель обращена непосредственно к играющему.

3.1.1 Определение габаритных размеров блока двух вариантов компановки. Для определения выше перечисленных параметров необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) блока. Для этого вычисляются габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры.

Объем, занимающий аппаратурой, складывается из объема ПП, двух кнопок, платы индикации A2 (схематичное положение светодиодов показано на рисунке 1).

Для определения объема печатной платы А1 воспользуемся таблицей №1.

Определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате А1:

(1)

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0.6, получим значение площади А1

, (2)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП А1 (10080, 12070, 16060) и был выбран следующий: 10080 мм в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Для определения объема ПП необходимо знать ее высоту, определяемую как возвышением над платой самого высокого элемента. В нашем случае h=16.5мм (конденсатор К50-6-100мкФ). Тогда объем ПП:

(3)

где a, b, h – размеры платы, мм.

Органы коммутации – две кнопки КМ1-1 – имеют объем:

Vком=2·a·b·h=2·11.2·20.5·20.5≈9414мм3, (4)

где a, b, h – максимальные размеры кнопки КМ1-1, мм. [6]

Рисунок 1 – Расположение светодиодов на плате индикации.

Как видно из рисунка 1, размеры платы А2 могут быть рассчитаны по формулам:

aи=lсв·24+=7,5·24+4=184мм, (5)

где lсв – ширина установочной площадки светодиода, мм,

- дополнительная ширина для технологической зоны и отверстий, мм.

bи=lсв·6+=7,5·6+9=54мм. (6)

Возвышение светодиода над платой hи=15мм.

Объем платы индикации:

Vи=aи·bи·hи=184·54·15=149040 мм3 (7)

Общий объем аппаратуры:

Vап=VПП+Vком+Vи=132000+9414+149040=290454мм3 (8)

Рисунок 2 – Первый вариант компоновки устройства.

Рисунок 3 – Второй вариант компоновки устройства

3.1.2 Сравнение выбранных двух вариантов компоновки блока.

Рассмотрим первый вариант компоновки, его габариты: 210х80х40мм.

Объем блока:

мм3. (9)

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм-1, (10)

где S1 – площадь поверхности блока

Коэффициент приведенных площадей:

(11) (5)

где - приведенная площадь шара, мм2

Приведенная площадь шара:

(12) (6)

где d1 - диаметр шара с объемом, равным объему блока, мм.

Используя условие V1=Vш= получаем

(13)

(14)

Коэффициент приведенных площадей:

. (15) (8)

Коэффициент заполнения объема:

(16)

Рассмотрим второй вариант компоновки. Блок состоит из параллелепипеда 140х80х30 и призмы с толщиной 80мм (размеры оснований показаны на рисунке 3).

Объем блока:

мм3. (17)

Приведенная площадь наружной поверхности:

(18)

где S2 – площадь поверхности блока, мм2.

(19)

(20)

Аналогично (11)-(14) получаем:

(21)

(22)

Коэффициент приведенных площадей:

. (23) (8)

Коэффициент заполнения объема:

(24)

, следовательно, второй вариант блока оптимален по площади наружной поверхности, но выбор первого варианта более предпочтительно исходя из коэффициента заполнения объема, поэтому выбираем первый вариант блока.

3.1.3 Выбор типа электрического монтажа, способов защиты от внешних воздействий, электромагнитной совместимости, описание варианта компоновки. В проектируемом устройстве используется два вида монтажа - объемный и печатный. Связь между элементами, расположенными на печатной плате осуществляется печатным монтажом. Связь печатной платы с органами коммутации и индикации осуществляется объемным монтажом.

Устройство необходимо предохранять от пыли, воды и механических воздействий. Для этого применяется частичная герметизация устройства с помощью пластмассового корпуса. Герметизация индикатора и питающего провода осуществляется с помощью резиновых втулок, плотно прилегающих к корпусу блока.

Устройство имеет форму прямоугольного параллелепипеда размером 210х80х40 мм. Органы индикации (светодиоды ПП А2) и коммутации вынесены на лицевую панель в соответствие с «Расширенным техническим заданием». На задней панели корпуса расположен питающий провод.

Максимальная частота в устройстве определяется тактовым генератором, поскольку в устройстве нет умножителей частоты. По описанию схемы, период работы тактового генератора равен 15 мс. Найдем частоту генератора. [1]

Значение такой частоты относится к полосе низких частот (до 20кГц), следовательно, расчет электромагнитной совместимоти и экранирование можно не производить.

3.1.4 Расчет обеспечения нормального теплового режима устройства. Рассматриваемое устройство, как и ряд других модулей уровня два и выше, содержит множество источников тепла, каждый из источников испускает определенные тепловые потоки, расчет действия которых сложен и длителен. Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета. Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

1’, 2’, 3’ - для вертикального расположения блоков;

1, 2, 3 - для горизонтального расположения блоков;

1, 1’ - без вентиляции;

2, 2’ - естественная вентиляция;

3, 3’ - принудительная вентиляция.

Рисунок 4 - График тепловой нагрузки блоков различной конструкции

Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру to и рассеиваемую тепловую мощность Ро. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 4 приведены зависимость между перепадом температур tk и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны Sз, м2 для воздушного охлаждения

Sз=2(lb+(l+b)hКз.о), (25)

где l, b, h - геометрические размеры блока, м,

l=0.21; b=0.08; h=0.04

Кз.о - коэффициент заполнения объема (Кз.о =0.432).

Таким образом, получим

Sз = 2(0.210.08+(0.21+0.08)0.040.432) = 0.044 м2

Определим удельную мощность нагретой зоны q3, Вт/м2, как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади, Вт/м2

(26)

где Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле:

Q = ImaxU, (27)

где Imax =0.5А - максимальный потребляемый ток для цепи питания;

U =5В - напряжение питания.

Тогда, получим

Q=0.55=2,5 Вт,

,

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов, равной +700С (из таблицы 1). Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно нормально функционировать равна Тс=400С. Тогда перепад температур tk будет определяться по формуле

tkзс = 70-40 = 300С (28)

Получили точку К (51.31, 30). Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 4). Учитывая, что в проектируемом блоке модули расположены горизонтально, точка находится в первой зоне, следовательно, устройство не нуждается в вентиляции.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим работы без вентиляции воздуха. Дополнительные средства вентиляции и охлаждения не требуются.

3.2 Разработка основных элементов и узлов конструкции устройства.

3.2.1 Выбор элементов несущей конструкции, крепления и фиксации. Корпус устройства изготовлен из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л по ОСТ6-65-406-80 методом литья под давлением. Выбранный материал обладает повышенной механической прочностью и невысокими электроизоляционными свойствами, рекомендуется для изделий технического назначения средней и ударной прочности. Корпус блока выполнен в виде прямоугольного па­раллелепипеда. Окончательные габаритные размеры 210х80х40 мм. Корпус состоит из основания и верхней крышки (толщина стенок корпуса 3 мм). Присоединение крышки к основанию осуществляется при помощи шурупов 1-2,5х5.2.09 ГОСТ 1144-80, ко­торые ввинчиваются в резьбовые отверстия, которые выполнены в стенках основания единой отливкой.

Печатная плата А1 крепится к литым выступам в крышке при помощи винтов с полукруглой головкой диаметром 2,5 мм. 24 светодиодов платы А2 крепятся в отверстиях крышки. Крепление индикаторов для исключения излома выводов производится с помощью пластмассовых втулок. Сама плата крепится на крышку с помощью втулок и винтов. На крышке также имеются два отверстия под кнопки.

3.2.2 Выбор конструктивных элементов электрического монтажа. В конструкции устройства применяется печатный и объемный монтаж. Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС61 ГОСТ 21931-76, флюс ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200.

Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом. Материал для изготовления печатной платы – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для объемного монтажа применяют провод МПО 0.2 ТУ 16-505.339-79 с полихлорвиниловой изоляцией.

Провода, соединяющие основной модуль А1 и плату индикации А2, впаиваются в отверстия 1-24 на плате А1, связываются в жгут. Жгут вязать капроновой крученой нитью 3К ОСТ 17-330-84. Затем каждый провод впаивается в соответствующее отверстие на плате А2.

Места пайки изолировать полихлорвиниловой трубкой 305ТВ-40-1 ГОСТ 19064-82 длиной 15 мм. Номера проводов маркируются на полихлорвиниловых трубках краской ТНПФ-01.

Корпус устройства окрасить в черный цвет. Окраска производится путем добавления к массе полистирола соответствующего красителя при литье корпуса. Для защиты от атмосферных воздействий печатные платы покрываются бесцветным лаком УР-231.

3.2.3 Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий. Данные по применяемым покрытиям внесены в таблице 3.

Таблица 3 - Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы

Материал детали, сборочной единицы

Покрытие лакокрасочное

Основание

полистирол УПМ-0612Л

Крышка

полистирол УПМ-0612Л

Печатная плата

Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5

Лак УР-231 бесцветный

3.2.4 Выбор способов маркировки деталей и сборочных единиц. На печатной плате маркировка элементов электрической схемы осуществляется травлением. На лицевую панель надписи (показаны на сборочном чертеже устройства) наносятся краской ТНПФ-0,1 белого цвета.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Выбор метода изготовления и класса точности

Для соединения радиоэлементов электрической схемы между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двустороннюю печатную плату изготовленную комбинированным позитивным методом по полуаддитивной технологии. Учитывая, что при проектировании ПП используются ИС, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещенных на плате, равен 0,7 мм, то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

В качестве материала проектируемой ДПП выбираем стеклотекстолит нагревостойкий высшего сорта, толщиной 1,5 мм, облицованный с двух сторон медной оксидной фольгой, толщиной 50 мкм. СФ-2Н-50Г-1,5в.с. ГОСТ 10316-78.

В соответствии с ГОСТ 10317-79 выбираем размеры ПП 100  80 мм.

Основные конструктивные параметры печатной платы:

1) расчетная толщина платы Нр=1,5 мм;

2) толщина фольги h=0.05 мм;

3) диаметры выводов радиоэлементов: Dвыв1=0,4 мм, Dвыв2=0,6 мм, Dвыв3=0,7 мм.

4) максимальный постоянный ток потребляемый схемой Imax= 0,5 А;

6) напряжение питания схемы Uи=5 В;

7) допустимая плотность тока Jдоп=38 А/мм2 (выбирается в соответствии с методом изготовления платы т.1 [8]);

8) наибольшая длина проводника l=0,1 м (длина проводника, определяется как величина равная наибольшей стороне печатной платы);

Таблица 4 – Основные конструктивные параметры печатных плат для

четвертого класса точности по ГОСТ 23751-86 [8]

Параметры

Класс точности - 4

Минимальное значение номинальной ширины проводника t, мм

0,15

Номинальное расстояние между проводниками S, мм

0,15

Гарантийный поясок, bм, на наружном слое, мм

0,05

Гарантийный поясок, b, на внутреннем слое, мм

0,03

Отношение диаметра отверстия к толщине платы

0,33

Допуск на отверстия d, мм без металлизации

  1мм

1 мм

+0,05 0,1

Допуск на отверстия d, мм с металлизацией

  1мм

1 мм

+0,05:-0,1

+0,1:-0,15

Допуск на ширину проводника без покрытия t,мм

0,03

Допуск на расположение отверстий d, мм

0,05

Допуск на расположение контактной площадки p, мм

0,15

Допуск на расположение проводников l, мм

0,03

4.2 Расчет по постоянному и переменному току печатного монтажа платы

1) Расчет ширины проводников. Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения. Определяем допустимое падение напряжения на проводниках схемы:

В. (29)

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

мм. (30)

2) Определим минимальную допустимую ширину проводников исходя из допустимого падения напряжения.

мм, (31)

где  - удельное объемное сопротивление проводника, Ом·мм2/м (выбирается в соответствии с методом изготовления платы [8, т.1]).

Для стабильной работы питающих печатных проводников их ширина должна быть больше или равна bmin1, поэтому принимаем ширину проводников питания и заземления равную b = 1 мм для удобства конструирования.

Минимальная ширина проводника по ГОСТ 23751-86, которую можно получить при использовании комбинированной позитивной технологии равна 0,15мм, что превышает значения bmin2. Это означает, что при данной ширине проводников печатная плата будет работать стабильно.

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты (показано в п. 3.1.3) работы схемы.

4.3 Конструктивно-технологический расчет.

4.3.1 Расчет геометрических параметров ПП.

1) Определим номинальное значение монтажных отверстий.

На плате есть 3 типа устанавливаемых ЭРЭ согласно диаметру вывода этих элементов. Определяем минимальный диаметр монтажных отверстий для всех видов выводов электрорадиоэлементов

D=Dвыв+|ΔdНО|+ΔЗ=0.4+0.05+0.1=0.55 мм (32)

D=Dвыв+|ΔdНО|+ΔЗ=0.6+0.05+0.1=0.75 мм (33)

D=Dвыв+|ΔdНО|+ΔЗ=0.7+0.05+0.1=0.85 мм (34)

где Dвыв – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

ΔdНО – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм [8, т.2];

ΔЗ – разница между диаметром отверстия и максимальным диаметром выводом, мм, выбирается из участка 0.1…0.4 мм (толщина прироя).

С учетом на биение сверла:

мм (принимаем из ряда предпочтительных размеров мм) (35)

мм, (=1мм) (36)

мм, (=1мм) (37)

где Dсв – диаметр сверла, мм,

D – коэффициент радиального биения сверла, мм.

Таким образом, под выводы ЭРЭ устройства можно выделить 2 типа отверстий диаметрами 0,8мм и 1мм.

Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

2) Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим, но в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы:

мм, (38)

где Hр - расчетная толщина платы, мм;

- коэффициент зависящий от состава электролита.

Как видим, для диаметров данных отверстий условие соблюдается.

3) Определяем диаметры контактных площадок.

Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий:

мм, (39)

мм, (40)

где bм - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

, - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

Минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий, при покрытии олово-свинец:

мм, (41)

мм, (42)

где hr - толщина фольги, мм;

Максимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий:

мм, (43)

мм. (44)

В соответствии с полученными диаметры контактных площадок составляют соответственно 1,6, 2,0 мм.

Таблица 5 - Диаметры отверстий и контактных площадок

Двыв, мм.

, мм

, мм.

,мм

0,4

0,8

1,375

1,4

0,6-0,7

1,0

1,575

1,6

Соседние файлы в папке ИГРОВОЙ АВТОМАТ «ПАДАЮЩАЯ ЗВЕЗДА»